Общие сведения о полупроводниках

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 W_пр и верхним уровнем («потолком») валентной зоны W_в. 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 Ом^-1 см^-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).