Материал: Физические основы электроники
этого электрона с атомом легко разрушается и он переходит в зону проводимости, становясь при этом свободным носителем электрического заряда (рис. 1.9, а).
Рис. 1.8. Структура полупроводника с донорными примесями
Рис. 1.9. Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по энергетическим уровням (б) полупроводника с донорными примесями
Атом примеси, потеряв один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом, но он остается в узле кристаллической решетки, и в отличие от «дырки», тоже имеющей единичный положительный заряд, он не может перемещаться внутри кристалла, т. к. связан с соседними атомами полупроводника межатом-
16
ными связями, а может лишь совершать колебательные движения около положения равновесия в узле кристаллической решетки. При этом электрическая нейтральность кристалла полупроводника не нарушается, т. к. заряд каждого электрона, перешедшего в зону проводимости, уравновешивается положительно заряженным ионом примеси. Таким образом, полупроводник приобретает свойство примесной электропроводности, обусловленной наличием свободных электронов в зоне проводимости.
Этот вид электропроводности называется электронным и обозначается буквой n (негативная, отрицательная проводимость), а полупроводники с таким типом проводимости называются полупроводниками n-типа.
В отличие от идеальных, чистых полупроводников диаграмма распределения электронов по энергетическим уровням в полупроводниках n-типа изменяется (рис. 1.9, б). Уровень Ферми в этом случае будет смещаться вверх, к границе зоны проводимости Wп, т. к. малейшее прира-
щение энергии электрона приводит к его переходу в зону проводимости.
1.5.2. Акцепторные примеси
Акцептор – это примесный атом (или дефект) кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.
Если в кристаллическую решетку полупроводника кремния ввести атомы примеси, например индия ( In ), принадлежащего к III группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева и, следовательно, имеющего на наружной электронной оболочке три валентных электрона, то эти три валентных электрона устанавливают прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния из четырех (рис. 1.10).
Одна из связей остается незаполненной из-за отсутствия необходимого электрона у атома примеси, поэтому заполнение этой свободной связи может произойти за счет электрона, перешедшего к атому примеси от соседнего атома основного полупроводника при нарушении ка- кой-либо связи. При этом атом примеси, приобретая лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом, а дырка, образовавшаяся в атоме основного полупроводника, имея единичный положительный заряд, может перемещаться от одного атома полупроводника к другому внутри кристалла, участвуя в тепловом движении; взаимодействуя с электрическими и магнитными полями, а также под действием градиента концентрации. Такой тип проводимости называется дырочным и обозначается буквой p (позитивный, положительный тип проводимости), а полупроводник называется полупроводником р-типа.
17
Рис. 1.10. Структура полупроводника с акцепторными примесями
Следует отметить, что отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси в полупроводнике р-типа не могут перемещаться внутри кристалла, т. к. находятся в узлах кристаллической решетки и связаны межатомными связями с соседними атомами полупроводника. В целом полупроводниковый кристалл остается электрически нейтральным, т. к. количеству образовавшихся дырок строго соответствует количество отрицательно заряженных ионов примеси. Для полупроводника р-типа диаграмма распределения электронов по электрическим уровням будет иметь вид, представленный на рис. 1.11, а.
Рис. 1.11. Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по энергетическим уровням (б) полупроводника с акцепторными примесями
18
Вероятность захвата электрона и перехода его в валентную зону возрастает в полупроводниках p-типа, поэтому уровень Ферми здесь смещается вниз, к границе валентной зоны (рис. 1.11, б).
Следует отметить, что при очень больших концентрациях примесей в полупроводниках уровень Ферми может даже выходить за пределы запрещенной зоны либо в зону проводимости (в полупроводниках n-типа), либо в зону валентную (в полупроводниках p-типа). Такие полупроводники называются вырожденными.
1.6.Процессы переноса зарядов в полупроводниках
Вполупроводниках процесс переноса зарядов может наблюдаться при наличии электронов в зоне проводимости и при неполном заполнении электронами валентной зоны. При выполнении данных условий
ипри отсутствии градиента температуры перенос носителей зарядов возможен либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда.
1.6.1. Дрейф носителей заряда
Дрейфом называют направленное движение носителей заряда под действием электрического поля.
Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на средней длине свободного пробега добавочную составляющую скорости, которая называется дрейфовой скоростью νn др , к своей средней
скорости движения.
Дрейфовая скорость электронов мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения в обычных условиях. Плотность дрейфового тока
Jn др qnνn др, |
(1.3) |
где n – концентрация электронов в 1 см3; q – заряд электрона. Дрейфовая скорость, приобретаемая электроном в поле единичной
напряженности E 1, |
B |
, называется подвижностью: |
|
||
cм |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
μ |
νn др |
. |
(1.4) |
|
|
E |
|||
|
|
|
|
|
|
Поэтому плотность дрейфового тока электронов |
|
||||
|
|
Jn др qnμE. |
(1.5) |
||
19
Составляющая электрического тока под действием внешнего электрического поля называется дрейфовым током. Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих:
Jдр Jn др J p др qE nμn pμp , |
(1.6) |
где E – напряженность приложенного электрического поля.
Удельная электрическая проводимость σ равна отношению плот-
ности дрейфового тока к величине напряженности электрического поля E, вызвавшего этот ток:
σ |
Jдр |
, |
(1.7) |
|
E |
||||
|
|
|
т. е. электропроводность твердого тела зависит от концентрации носителей электрического заряда n и от их подвижности μ.
1.6.2. Диффузия носителей заряда
При неравномерном распределении концентрации носителей заряда в объеме полупроводника и отсутствии градиента температуры происходит диффузия – движение носителей заряда из-за градиента концентрации, т. е. происходит выравнивание концентрации носителей заряда по объему полупроводника.
Из курса физики известно, что плотность потока частиц при диффузии (число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную направлению градиента концентрации) пропорциональна градиенту концентрации этих частиц:
Фm Dmgrad m , |
(1.8) |
где Dm – коэффициент диффузии, равный абсолютному значению от-
ношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации. Знаки правой и левой части в выражении (1.8) различны, т. к. век-
тор градиента концентрации направлен в сторону возрастания аргумента, а частицы диффундируют туда, где их меньше, т. е. против градиента концентрации.
Поскольку любое направленное движение одноименно заряженных частиц есть электрический ток, то плотность электронной составляющей диффузионного тока может быть получена путем умножения правой части выражения (1.8) на заряд электрона. Электроны диффундируют против вектора градиента концентрации и имеют отрицательный
20