Носители заряда в чистых полупроводниках

На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы (рис. 13, б). В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Наличие запрещенной зоны, а также ее ширина определяют три класса кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники. Расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части их энергетических диаграмм приведено на рис. 14.

В металлах энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, а в полупроводниках и диэлектриках зоны разрешенных значений энергии отделены запрещенной зоной энергии . На энергетических диаграммах можно выделить две характерные зоны разрешенных значений энергий: нижнюю (заполненную), или валентную зону и верхнюю (свободную), или зону проводимости. В отсутствии внешних воздействий на электроны (электрического и магнитного полей, облучение квантами света, а также при K) все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней зоне электронов нет.

Рис. 14 Энергетическая диаграмма: а - металла; б - полупроводника;

в - диэлектрика

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону свободных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое число свободных (не связанных с атомами) электронов, которые и обеспечивают его высокую проводимость.

В полупроводниках свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии. Величина определяет энергию, которую нужно сообщить электрону, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с металлом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.

Диэлектрики отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. Проводимость диэлектриков мала и становится заметной лишь при температуре не ниже 400-800⁰ С или сильных электрических полях (пробой).

Наличие на энергетической диаграмме запрещенной зоны обусловливает особенности образования носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлами. У атомов германия и кремния (полупроводниковых материалов, получивших наибольшее распространение при изготовлении полупроводниковых приборов) на внешней оболочке находятся четыре валентных электрона. Кристаллическая решетка этих полупроводников имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Двумерная модель кристаллической решетки имеет вид, показанный на рис. 15.

Рис. 15 Возникновение свободного электрона и дырки в кристалле полупроводника, отражение этого процесса на энергетической диаграмме. Схема движения электрона в кристалле полупроводника

В отсутствии структурных дефектов и при четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи показаны на рис. 15, а в виде двух параллельных линий, связывающих атомы, расположенные в соседних узлах кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов кристалла в создании ковалентных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях энергии валентной зоны (рис. 15, б).

Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии электронов атома. Часть валентных электронов освобождаются от связей и становятся свободным (рис. 15, а, б). Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости (рис. 15, б).

Свободный электрон способен перемещаться между узлами кристаллической решетки под воздействием электрического поля, т.е. участвовать в создании тока. Образование свободного электрона сопровождается разрывом связи между атомами и появлением в месте разрыва так называемой дырки (положительного заряда) (рис. 15, в). Дырка заполняется другим свободным электроном, но возникает новая дырка в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и ее появление в другом можно условно считать как ее движение. Поэтому электроны и дырки являются подвижными частицами.

При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зону в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название термогенерации носителей заряда, в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов в свободной зоне и равная ей концентрация дырок в валентной зоне. Концентрация носителей заряда зависит от температуры кристалла, ширины запрещенной зоны и определяется зависимостью:

(10)

где коэффициент, зависящий от рода кристалла;

постоянная Больцмана;

абсолютная температура.

Количество электронов и дырок в чистом полупроводнике одинаковое. Постоянство их концентрации при неизменной температуре обусловливается тем, что в полупроводнике одновременно действуют два процесса: термогенерация носителей заряда, а также исчезновение электронов и дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные уровни валентной зоны (рекомбинация носителей заряда).