Физические основы микроэлектроники, конспект лекций, страница 4

 

Т=О К;       а – металл;          б – полупроводника;            в – диэлектрика.

Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами расположены пустые зоны при температуре абсолютного нуля (рис. 2.2 б, в). Такие зонные диаграммы характерны для полупроводников и диэлектриков, которые между собой различаются шириной запрещенной зоны. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону, Е_д>3 эВ. Полупроводники имеют сравнительно узкую запрещенную зону. У типичных полупроводников Е_д≤2 эВ. Так, у германия Е_д=0,66 эВ; у кремния Е_д=1,08 эВ; у антимонида индия Е_д=0,17 эВ; у арсенида галия Е_д=1,43 эВ.

Верхнюю целиком заполненную электронами зону называют валентной. Следующая за ней запрещенная зона носит название зоны проводимости. Потолок валентной зоны принято обозначать Е_V, дно зоны проводимости – Е_с.

2.3. СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

          Химически чистые полупроводники называются собственными. К ним относят ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например как арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb, карбид кремния SiC и т.д. Зонная диаграмма собственного полупроводника в упрощенном виде представлена на рис. 2.2б. При Т=0 К собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью. Однако, с повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны, часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости.

          Если к такому кристаллу приложено внешнее поле, в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны. Кристалл становится проводящим. Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем более высокую электропроводимость приобретает кристалл. Так, у германия, имеющего Е_д=0,66 эВ, уже при комнатной температуре концентрация электронов в зоне проводимости достигает значения n_i ≈ 10¹⁹ м^-3 и удельное сопротивление составляет всего лишь ρ ≈ 0,48 Ом·м. В тоже время у фосфида галлия, имеющего Е_д=2,24 эВ, при комнатной температуре оказывается n_i ≈ 10^-6 м^-3 и ρ ≈ 2·10¹³ Ом·м.

          Таким образом, проводимость полупроводников является возбужденной. Она появляется под воздействием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию, достаточную переброса их в зону проводимости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

          Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Так, например, фосфид галлия, являющийся диэлектриком, при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводником. Суммарный ток всех электронов валентной зоны, имеющей одно вакантное состояние, эквивалентен току, обусловленному движением одной частицы с положительным зарядом q, равным заряду электрона, и помещенной в это состояние. Такую фиктивную частицу называют дыркой. Полупроводники любой степени очистки содержат примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных. Хотя в физике твердого тела под примесью понимают не только примесные атомы, но любой дефект, приводящий к нарушению идеальной структуры полупроводника.

          Возникающие примесные уровни могут появиться как в разрешенной так и в запрещенной зонах, полупроводника. Появление их в разрешенных зонах не оказывает существенного влияния на электрические свойства проводника. Наличие же примесных уровней в запрещенной зоне существенно меняет электрические свойства последнего. Уровни, расположенные в запрещенной зоне вблизи ее дна и поставляющие электроны в зону проводимости, называют донорами, а сам полупроводник – электронным, или полупроводником n-типа. Примесные уровни, расположенные вблизи потолка валентной зоны и принимающие электроны из валентной зоны, называют акцепторами, а полупроводник – дырочным, или p-типа. Энергетические диаграммы полупроводников n и p – типа показаны на рис. 2.3.