Твердые тела, существующие в природе делятся на аморфные и кристаллические. Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относятся к кристаллическим телам, атомы которых расположены в определенном порядке и образуют пространственную решетку. Почти все они обладают ковалентной связью, при которой взаимное притяжение двух атомов осуществляется благодаря общей паре валентных электронов, вращающихся по орбите вокруг этих атомов.
Согласно принципу Паули в атоме не может быть более двух электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, причем эти электроны должны обладать взаимно противоположными спинами. Общее количество электронов, окружающих ядро атома данного элемента в невозбужденном состоянии, определяется порядковым номером этого элемента.
При сближении атомов (для образования кристалла) их взаимодействие усиливается и на некотором расстоянии становится настолько значительным, что вызывает расщепление каждого энергетического уровня изолированного атома в энергетическую зону – область значений полной энергии электронов в кристалле, характеризуемую максимальным и минимальным значениями энергии. Число энергетических уровней в каждой зоне равно числу объединяющихся атомов. В 1 см3 твердого тела число атомов составляет около 1022, следовательно, и число уровней в каждой разрешенной зоне должно иметь тот же порядок. Ширина верхней из заполненных зон – валентной – максимальна; по мере приближения к атомному ядру расщепление энергетического уровня атома создает все более узкие зоны. Все внутренние зоны целиком заполнены электронами. Так как эти электроны сильно связаны с ядром, они не влияют на проводимость кристалла, и в дальнейшем внутренние зоны рассматриваться не будут. Между зонами, разрешенными для электронов, располагаются запрещенные зоны – области значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле (кристалле без примесей и дефектов решетки). В полупроводниках обычно рассматривается запрещенная зона, отделяющая валентную зону от зоны проводимости (свободной зоны при T = 00К), на уровнях которой при возбуждении атома могут находиться электроны.
На рис. 1.1 представлена схема энергетических зон полупроводника.
По оси ординат отложены величины энергии электронов W, а по оси абсцисс – расстояния X в направлении толщины кристалла. Ширина запрещенной зоны равна разности энергий между нижним уровнем («дном») зоны проводимости Wetcétera и верхним уровнем («потолком») валентной зоны Wen. В металлах, где все валентные электроны являются электронами проводимости, запрещенная зона отсутствует, и валентная зона частично перекрывается с зоной проводимости. При < 3 эВ твердое тело условно принято считать полупроводником, при > 3 эВ – диэлектриком.
Полупроводник приобретает электропроводность в том случае, если электронам, находящимся на энергетических уровнях внутри валентной зоны, внешним воздействием (нагреванием, освещением и т. д.) сообщается энергия (равная или большая ), достаточная для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электрон, находящийся в зоне проводимости и являющийся подвижным носителем заряда, называется электроном проводимости. Одновременно в валентной зоне из-за ухода электронов появляются свободные уровни и, следовательно, валентные электроны также получают возможность переходить с одних уровней на другие (свободные) и тем самым изменять свою энергию. Это означает, что валентные электроны, так же как и электроны проводимости, могут создавать ток через полупроводник.
При уходе валентного электрона образуется положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона; этот положительный заряд следует относить к валентной связи между двумя атомами, нарушенной уходом валентного электрона. Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне, обладающее положительным зарядом, принято называть дыркой. При создании электрического поля в полупроводнике валентные электроны переходят из заполненных связей в соседние незанятые связи в направлении увеличения потенциала поля, что эквивалентно перемещению дырок в обратном направлении.
Итак, в полупроводниках возможны два вида электропроводности – электронная – в результате перемещения электронов проводимости и дырочная – в результате перемещения дырок.
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости (10-6-10-8 Ohm-1 ver-1) являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях – и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и др.). По своему составу полупроводники можно разделить на простые, если они образованы атомами одного химического элемента (например, германия Ge, кремния Si, селена Se), и сложные, если они являются химическим соединением или сплавом двух или нескольких химических элементов (например, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs и др.).
По типу электропроводности различают собственные полупроводники (полупроводники i-типа, индекс «i» означает «intrinsic» – собственный), если их электропроводность обусловлена генерацией пар электрон–дырка; примесные полупроводники с электронной проводимостью (полупроводники n-типа), если их электропроводность обусловлена в основном перемещением электронов, появившихся в результате ионизации атомов донорной примеси (отдающей электроны), и примесные полупроводники с дырочной проводимостью (полупроводники p-типа), если их проводимость обусловлена в основном перемещением дырок, возникших в результате ионизации атомов акцепторной примеси (связывающей электроны).
