yavor2 (553175), страница 72
Текст из файла (страница 72)
77 5. атомом примеси является мышьяк. 3. Когда электроны переброшены с донорных примесных уровней в зону проводимости, в полупроводнике возникает электронная примесная ггроводимость (проводимость и-типа). Полупроводники такого типа называются электронными или полупроводниками и-типа (от латинского веда(гггцз — отрицательный). На рис. 77.5 показана схема расположения зон и примесных уровней полупроводника гг-типа. ф 77.4. Примесные дырочные полупроводники (полупроводники р-типа) !.
Предположим теперь, что в кристаллическую решетку германия внедрен примесвый атом с тремя валентными электронами— бор, алюминий, индий (рис. 77.6). У такого атома не хватает одного электрона, чтобы образовать полный комплект ковалентных связей, необходимых для решетки германия (ср. Рис. 77.2). Но примесный атом может создать все связи, если он заимствует электрон у ближайшего атома германия. Тогда на месте электрона, ушедшего из атома германия, образуется положительная дырка.
В свою очередь, эта дырка может быть заполнена электроном из следугошего соседнего атома германия, н т, д. Процесс последовательного заполнения положительных дырок электронами эквивалентен, как мы видели (2 77.2), движению дырки в полупроводнике и появлению в нем носителей тока.
Такого рода примеси приводят к появлению в запрещенной зоне примесных энергетических уровней, не занятых электронами. Они называются уровнями прилипания, «захватчиками», или акцепторными уровнями. Атомы таких примесей называются акцепторами (от латинского слова ассе)Ног — приемщик). 326 2. Энергии электронных уровней атомов-акцепторов несколько больше энергии верхней границы заполненной зоны. Поэтому при- месные акцепторные энергетические уровни электронов распола- гаются несколько выше верхl него края заполненной эиер- «« .. I гетической зоны основного кристалла (рис. 77.7).
Напри- ь«ьь Юе Положительнее йе мер, при внедрении трехвалентиого бора в кристаллиl м, х / ческую решетку кремния акцептарные уровни лежат на Нед~юеюший Мь = — 0,08 эВ выше запал- епенюеен ненной зоны. ЭнеРгиЯ Ь«тл аРтоюа"~~~ значительно меньше общей ширины запрещенной зоны. I В таком полупроводнике ье ье может возникнуть дырочная -4 -4 примеснин проводимость. В ь самом деле„электроны, расположенные у верхней граниРис.
77.6. цы заполненной зоны, можно легко перевести нагреванием на акцепторные энергетические уров- ни, заполнить эти уровни электронами. В дальнейшем электроны, заброшенные на акцепторные уровни, не могут изменить своей энергии под действием поля — они «прилипают» к этим уровням. В итоге нижняя зона будет иметь свободные электронные ° „~ Непал пненнае уровни, которые проявят себя как положительные дырки. Нижняя зона становится зоной дырочкой проводимости.
Под действием электрического поля электроны в нижней л зоне будут совершать внут- «ь + =-+ ризонные переходы и последовательно заполнять дырки. 3 ~ Это эквивалентно перемещению дырок в направлении, противоположном движению Рис. 77 7. электронов. Описанный тип проводимости получил название проводимости р-типа, а полу- проводники с такой проводимостью называются дырочньыги или полупроводниками р-типа (от латинского розВР«пз — положитель- ный). На рис.
77.7 показана схема расположения примесных уров- ней в полупроводниках р-типа. 3. В заключение обратим внимание на очень существенное от- личие поведения носителей тока в полупроводниках от свойств электронов в металлах. Квантовая теория металлов привела к пп»а Ьл»веней предо не ши 327 выводу о том, что в металлах концентрация электронов и их энергия практически не зависят от температуры. Зтот вывод подтвержден экспериментально и означает, что числом носителей тока в металлах практически нельзя управлять.
В полупроводниках, при любом характере их проводимости, число носителей тока значительно меныпе, чем в металлах. Но концентрация носителей тока в полупроводпиках н их энергия весьма сильно зависят от температуры и возрастают при ее повышении. Зто создает возможность управления числом носителей тока н их энергией в полупроводниках, широко применяемую в полупроводниковых устройствах. ГЛАВА 78 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВАХ В 78.1.
Контактные явления на границе металлов 1. Уже давно было известно, что контакт металла с поверхностью полупроводника выпрямляет переменные тони весьма высоких радпочастот. Зто позволило создать кристаллические детекторы и выпрямители радиочастот, а впоследствии — усилители (кристадины). Выпрямленне на границе металл — полупроводник, односторонняя проводимость контакта, связаны с существованием на поверхности контакта особого барьерного или запкрающего слоя, который затрудняет прохождение тока в одном направлении и облегчает движение зарядов в противоположном направлении.
2. Запирающий слой представляет собой тонкий слой вблизи контакта, характеризующийся резким изменением потенциальной энерпш электронов па протяжении слоя. Возникновение такого слоя связано с тем; что по обе его стороны происходит скопление электрических зарядов противоположных знаков. Образуется так называемый двойной электрический слой зарядоа, взаимодействующих с теми зарядами, которые проходят через контакт.
Двойной слой образует электрическое поле, в котором движется поток электронов. Движение это связано с преодолением определенного потенциального барьера. Если к контакту приложено прямое напряжение — потенциальный барьер уменьшается, сопротивление в этом направлении падает, и ток проходит. При обратном напряжении потенциальный барьер для электронов возрастает, растет сопротивление в этом направлении, и ток не проходит. 3. Рассмотрим вначале образование двойного слоя и его роль на более простом случае двух металлов 1 и 2 с различными Работами выхода А, и А„т. е.
с различной высото1 верхнего заполненного электронами уровня Ферми (рис. 78.1, а). Тотчас после ус гановлени я контакта поток электронов устремится преиму:цественно в направлении от 2 к 1, ибо в металле 2 работа выхода электронов меньше, чем в 1. В результате границы заполненных энергетических уровней в металлах выровняются и при этом образуется двойной электри- 328 ческий слой зарядов: в металле 2 образуется избыток положительных зарядов ионной решетки, так как электроны из этого металла уйдут в металл 1, заряжающийся отрицательно (рис. 78.1, б).
Перетекание электронов будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие и электрическое поле двойного слоя не воспрепятствует дальнейшему переходу электронов. 4. Металлы с различной работой выхода А имеют разные уровни Ферми. Равновесие, которое наступает при контакте двух или нескольких металлов с разными уровнями Ферми, возможно только в том случае, если этот уровень во всех металлах станет одинаковым.
[г][~~[»~(~~]) а) Рис. 78д. Это может быть совершенно строго доказано из общих термодинамическнх условий равновесия электронных газов в контактирующих металлах при постоянных объеме и температуре. Качественно все сводится к тому, что равенство давлений электронного газа соприкасающихся металлов, необходимое для равновесия, наступает прн выравнивании <высот» энергетических уровней электронов, подобно тому как выравниваются высоты уровней жидкости в сообщающихся сосудах.
Когда металл 2 заряжается положительно до некоторого потенциала (/„все энергетические уровни опускаются вниз на е0,. В металле 1, заряжающемся отрицательно до потенциала ( — (1,), все энергетические уровни поднимаюгся вверх на «расстояние» еУ, относительно своих положений в незаряженном металле. В самом деле, для перехода электрона с некоторого уровня незаряженного металла на такой же уровень металла, заряженного до отрицательного потенциала ( — (/,), требуется совершение работы, численно равной еУ,. Эта работа равна изменению потенциальной энергии электрона.
Поэтому потенциальная энергия электрона, находящегося на некотором уровне отрицательно заряженного металла, будет на е(1, больше потенциальной энергии электрона, находящегося на таком же уровне в незаряженном металле. Это означает, что все уровни поднимаются вверх. По тем же причинам все уровни в положительно заря кенном металле опускаются вниз. 5. Как только снижающийся уровень Ферми в металле 2 и повышающийся уровень Ферми в металле 1 окажутся на одной высоте, причина, которая вызывает преимущественный переход электронов из второго металла в первый, исчезает. Между металлами устанавливается динамическое равновесие, которому соответствует определенная толщина 1 двойного слоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
