Ев – верхняя разрешенная зона, которая при температуре абсолютного нуля (Т = 0оК)
целиком заполнена электронами называется валентной зоной.
Расположенная над ней следующая разрешенная зона (при Т = 0оК - 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 = 0оК Еп – пуста и электропро-
водность отсутствует так как нет свободных электронов – е-. При Т0 > 0оК – 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 = 300оК 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 ni = pi = 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,
