Как известно из курса физики в кристаллическом твёрдом теле существуют квазинепрерывные зоны разрешенных значений энергий электронов.

 

Ев – верхняя разрешенная зона, которая при температуре абсолютного нуля (Т = 0^оК)

целиком заполнена электронами называется валентной зоной.

Расположенная над ней следующая разрешенная зона (при Т = 0^оК - пуста или частично

заполнена электронами) – называется зоной проводимости – Еп.

Между “потолком” валентной зоны и “дном” зоны проводимости находится так называемая запрещённая зона (Ез). Ширина Ез зависит от свойств материала.

В чистых полупроводниках (ПП) и диэлектриках при Т⁰ = 0^оК Еп – пуста и электропро-

водность отсутствует так как нет свободных электронов – е^-. При Т⁰ > 0^оК – электрон из

зоны Ев переходит в зону Еп, а в зоне Ев появляются незанятые уровни энергии (столько уровней сколько ушло электронов).

У проводников запрещённая зона отсутсвует, а наибольшей ширины она достигает у диэлектриков.

Твердые тела – проводники 0

полупроводники проводимость Ез < 3 эВ

диэлектрики Ез > 3 эВ

 

Если энергия атома больше энергии необходимой для преодоления запрещённой зоны - hν > Ез – то образуется электронно-дырочная пара с поглощением энергии hν - при этом появляются положительно и отрицательно заряженные свободные носители.

hν - энергия тепловых колебаний атома,

ν - частота тепловых колебаний атома, h ( постоянная Планка ) = 4,1×10 ^-15 эВ ∙ сек = [6,626×10 ^-34 Дж ∙ сек].

заряд электрона = 1,6 ×10 ^-19 Кл (Кулон).

Процесс одновременного образования свободных отрицательно заряженных носителей –

электронов и положительно заряженных носителей – дырок под действием тепловых колебаний атомов называется генерацией электронно-дырочных пар. Обратный процесс называется рекомбинацией электронно-дырочных пар. При процессе рекомбинации электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону, занимают незанятые энергетические уровни и исчезают как свободные носители.

При отсутствии внешних воздействий в материале устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок.

Существует понятие – «эффективная масса» – совпадающая с массой электрона в вакууме. mn -эффективная масса электрона, mp – эффективная масса дырки

Эффективные массы дырки и электрона примерно равны: mp» mn.

 

 

ПРИМЕСИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В обычном полупроводнике концентрации носителей примерно равны – n» p. При введении примесей, атомы этих примесей образуют в запрещённой зоне разрешенные уровни. Примеси бывают донорные и акцепторные.

1. При введении в собственный (чистый) полупроводник донорной примеси – число свободных электронов будет превышать число дырок.

Донорные примеси образуют в запрещённой зоне разрешенные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости.

При ионизации донорного атома электрон уходит с донорного уровня в зону проводимости. ΔΕд = Еп – Ед - называется энергией ионизации донора. ΔЕд << ΔЕз. При температуре Т = 300^оК полупроводник имеет проводимость n – типа (электронная) где основным носителем является электрон – е^- .

2. Акцепторная примесь. При большой концентрации акцепторной примеси в полупроводнике будет преобладать дырочная проводимость.

Еа - энергетический уровень электронов акцепторной примеси.

 

При введении акцепторной примеси электрон уходит на акцепторный уровень Еа – при этом в валентной зоне образуется “дырка”.

Величина DЕа называется энергией ионизации атомов акцеторов.

При температуре Т=300⁰К полупроводник имеет проводимость р – типа (дырочная) – дырки в этом случае являются основными носителями.

Современные технологии обеспечивают концентрацию примесей доноров или акцепторов – N в пределах10¹³ ¸10²¹см ^{– 3}. При концентрациях примесей более чем 10¹⁹см ^{- 3} полупроводник называется вырожденным. На практике в полупроводниках часто присутствуют как донорные так и акцепторные примеси, но в разных концентрациях.

 

Концентрация носителей в полупроводниках.

 

В чистом полупроводнике n_i = p_i = Ö Nп×Nв ×exp(- DЕз ¤ kT).

n _i = n = p – концентрация носителей в см ^–3 (1 ¤ см³ ),

Nп, Nв - концентрация электрических разрешенных состояний в полосе энергий kT в зоне проводимости и в валентной зоне,