Основные положения. Необходимо знать, что по электрическим свойствам кристаллические твердые тела разделяются на металлы

Необходимо знать, что по электрическим свойствам кристаллические твердые тела разделяются на металлы, полупроводники и диэлектрики. Полупроводниками являются четырехвалентные элементы, расположенные в середине периодической таблицы Менделеева.

Их нельзя назвать ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами.

Различия электрических свойств твердых тел связаны с распределением электронов в атомах. При образовании твердого тела из отдельных атомов и молекул состояния электронов внутренних оболочек не меняются, внешние же электронные оболочки в результате сближения и взаимодействия между электронами перестраиваются. Энергия внешних электронов атомов твердого тела не принимает строго определенного значения как в отдельных атомах, а находится в пределах областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая из этих зон содержит столько дискретных близлежащих энергетических уровней, сколько атомов содержит кристалл: чем больше в кристалле атомов, тем теснее расположены уровни в зоне.

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными зонами. В запрещенных зонах энергетические уровни электронов находиться не могут. Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если, например, какой-то уровень атома полностью заполнен электронами, то соответствующая зона будет также полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных - частично заполненные зоны. Разрешенную зону, возникшую из того уровня, на которой находятся валентные электроны в основном состоянии атома, мы будем называть валентной зоной. В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и расположения ближайшей свободной зоны возможны три случая, изображенные на рис.10.1.

В металлах (случай а) электроны заполняют валентную зону не полностью. Они могут легко переходить на более высокие уровни под действием электрического поля, т.е. стать свободными и участвовать в проводимости.

В случаях б и в уровни валентной зоны полностью заняты электронами - зона заполнена. Для того чтобы увеличить энергию электрона, ему необходимо сообщить количество энергии не меньше, чем ширина запрещенной зоны . Если больше нескольких электронвольт, то такие переходы очень затруднены и кристалл является диэлектриком (рис.10.1,в).

В полупроводниках запрещенная зона достаточно узка ( < I эВ) и переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен либо за счет

Рис.10.1

теплового возбуждения, либо за счет поглощения фотонов или других причин. В результате такого перехода образуется пара носителей тока "электрон - дырка". Дырка - это место в кристаллической решетке, где должен бы находиться электрон, но где его нет.

Следует помнить, что для того чтобы полупроводниковый кристалл был пригоден для получения твердотельного электронного устройства, к нему необходимо добавить примесь.

Существуют два типа примесей полупроводников, изготовленных из германия () или кремния (Si). Одни примеси отдают электроны - они называются донорными, другие примеси присоединяют к себе электроны - такие примеси называются акцепторными. В полупроводниках с донорной (пятивалентной) примесью, называемых полупроводниками - типа, ток переносит электроны, а в полупроводниках с акцепторной (трехвалентной) примесью, называемых полупроводниками - типа, носителями тока являются дырки (положительно заряженные частицы).

Однако практически нет полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью, В полупроводнике - типа электрический ток частично обусловлен движением дырок, возникающих в его кристаллической решетке вследствие выхода электронов из некоторых валентных связей, а в полупроводниках - типа ток частично создается движением электронов. Вследствие этого полупроводники - типа более правильно характеризовать как полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны, а полупроводники - типа - как полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки. Следовательно, полупроводник относится к тому или другому типу в зависимости от того, какой вид носителей тока является в нем основным. Противоположный носитель заряда для полупроводника данного типа является неосновным носителем тока.

Если два полупроводника с разным типом проводимости привести в металлургический контакт, то в месте контакта возникает электронно-дырочный - переход. Следует помнить, что - переходом называется переходной слой, образованный в полупроводнике на границе областей типа и .

При образовании - перехода часть электронов из области и дырок из области диффундируют во встречных направлениях и, рекомбинируя, образуют положительные ионы в области и отрицательные ионы в области (рис.10.2,а). Возникает двойной электрический слой, в котором нет носителей тока (обеднённый слой). Электрическое поле в нем препятствует дальнейшему переходу через слой основных носителей тока. Динамическое равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте. Поскольку в полупроводниках - типа уровень Ферми расположен у дна зоны проводимости, а в полупроводниках - типа у верхнего края валентной зоны, то величине этого барьера равна примерно .