ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводниками называются вещества, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Отличительная особенность полупроводников — сильная зависимость элек­тропроводности от температуры и концентрации примесей. Электропроводность полупроводника пропорциональна кон­центрации подвижных носителей заряда и их подвижности. Концентрация подвижных носителей заряда зависит от характера и количества атомов примесей, введенных в кри­сталл полупроводника. В идеально чистом (беспримесном, собственном) полупроводнике число носителей заряда определяется количеством электронов и, оторвавшихся от атомов в результате теплового возбуждения. Чтобы отор­вать электрон от атома, требуется сообщить ему энергию, необходимую для преодоления запрещенной зоны с шириной Е8.

Незанятое электроном энергетическое состояние в вален­тной зоне называется дыркой. Рождение (генерация) элек­трона сопровождается в этом случае появлением дырки.

Дырки в полупроводнике ведут себя как положительно заряженные частицы (их заряд по абсолютной величине, так же как и электронов, равен q).

Количество электронов в собственном полупроводнике п — равно числу дырок р, — и сильно зависит от температуры:

п.=р. = Ае 2"т,(1.1)

где А — коэффициент, слабо зависящий от температуры; k — постоянная Больцмана.

Добавление в чистый полупроводник атомов примес­ного вещества существенно изменяет не только количество подвижных носителей, но и характер электропроводности. Присутствие атомов донорной примеси с концентрацией А/д приводит к появлению в полупроводнике подвижных элек­тронов, причем при комнатной температуре п ^ Л/д. Это полупроводник с электронной проводимостью (типа и).

Наоборот, присутствие атомов акцепторной примеси сопровождается появлением подвижных — дырок, причем р » Na. Это полупроводник с дырочной проводимостью (типа р). Носители заряда могут рекомбинировать, т. е. электрон из зоны проводимости может перейти в валентную ' зону и заполнить дырку; при этом выделится энергия, рав­ная Е8. В условиях термодинамического равновесия число генерируемых электронов равно числу рекомбинирующих. При этом между концентрациями свободных электронов и дырок в полупроводниках р — и п типа существует со­отношение

лрР* = ппРп=(]-2)

Из соотношения (1.2) следует, что, чем больше носителей заряда одного типа, тем меньше другого. Соответственно, те носители заряда, которые присутствуют в меньшем коли­честве, называются неосновными для данного типа полупро­водника (рп, пр).

Если равновесие нарушается и в полупроводник вводит­ся каким-либо способом дополнительное количество основ­ных или неосновных носителей, то создается их избыточная, по сравнению с равновесной, концентрация.

Во всех случаях нарушения равновесия каждый объем полупроводника остается электронейтральным. Но так как равновесие, характеризуемое соотношением (1−2), в области повышенной концентрации нарушается, то начинает пре­обладать процесс рекомбинации носителей заряда.

Перемещение подвижных носителей в полупроводнике под действием приложенного внешнего напряжения сопро­вождается многочисленными столкновениями их с атомами

В промежутках между столкно­вениями электроны приобретают энергию от электричес­кого поля, а при столкновении ее теряют.

В результате электрон движется с некоторой скоростью, которая тем больше, чем выше напряженность электричес­кого поля.

Подвижность носителей заряда jxPt " (равная скорости, приобретаемой ими в электрическом поле с единичной напря­женностью) зависит от температуры, концентрации приме­сей и от других факторов. Соответственно изменение подвиж­ности влияет на Ееличину электропроводности.

При качественном и количественном анализе полупро­водников и полупроводниковых приборов обычно исполь­зуются так называемые зонные диаграммы (рис. 1.1). На них горизонтальными линиями изображаются уровни энергии электронов. Чем больше энергия электронов, тем выше рас-

полагается линия. Линия Ev — верхняя граница (потолок) валентной зоны, Ес — нижняя граница (дно) зоны проводи­мости. Уровни энергий электронов, связанных с донор-ньми и акцепторными атомами примесей, изображаются горизонтальными прямыми ER и Еа соответственно. Рас­стояния Ес — £д и Еа — Ev малы. Энергии теплового движения при комнатной температуре достаточно, чтобы перевести электроны с уровня Ед в зону проводимости или из валентной зоны на уровни Еа.

Количество подвижных носителей заряда в полупровод­нике при данной температуре определяется положением так называемого уровня Ферми EF (рис. 1.1).

Положение уровня Ер находят из соотношения

Ef = Ev+Ec+ ХГ ]п_я(16)

или

£fIn(1.7)

где пир — концентрации свободных электронов и дырок.

Для собственного полупроводника уровень Ерпроходит через середину запрещенной зоны. В электронном или дырочном полупроводнике он лежит соответственно в верх­ней или нижней половине запрещенной зоны.

В так называемых «вырожденных» полупроводниках, т. е. в полупроводниках с очень большой концентрацией при­месей, обусловливающих их высокую электропроводность, уровень Ферми находится внутри валентной зоны или в зоне проводимости.

В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми одинаков как для разных областей одного и того же полупроводника, так и для двух (или более)контактирующих между собой полупроводников.