Как известно из квантовой физики, энергия электронов в атоме квантована, т.е. может принимать дискретные (строго определенные) значения, и не может изменяться непрерывно, как большинство физических величин классической физики, например, температура. Соответственно энергетическая диаграмма изолированного атома (например, атома какого-либо газа) представляет собой набор дискретных энергетических уровней, на которых (условно говоря) могут «находиться» электроны (реально это означает, что энергия электрона соответствует определенному уровню). Интервалы энергии между этими «разрешенными» для электронов уровнями не содержат уровней, которые могут занимать электроны, т.е. являются для электронов «запрещенными» интервалами или зонами энергии. Каждому энергетическому уровню соответствуют два состояния, поскольку по принципу Паули на каждом уровне могут находиться два электрона с противоположно направленными моментами импульса – спинами.
В монокристалле полупроводника атомы, образующие кристаллическую решетку, находятся очень близко друг к другу и сильно взаимодействуют между собой. Из-за этого взаимодействия дискретные энергетические уровни расщепляются на большое количество близко расположенных уровней, образующих разрешенные для электронов зоны, разделенные между собой запрещенными зонами. При Т ≈ 0 электроны полностью заполняют нижние разрешенные зоны. Энергетические уровни верхней из заполненных зон соответствуют энергии валентных электронов, поэтому эта зона называется валентной. Следующая разрешенная зона оказывается пуста, поскольку ее энергетические уровни соответствуют энергии электронов проводимости, а их при Т ≈ 0 в полупроводнике нет. Эта зона называется зоной проводимости. Разделяются валентная зона и зона проводимости запрещенной зоной.
На рис. 1.3 приведены энергетические диаграммы собственного, электронного и дырочного полупроводников. Верхняя граница (потолок) валентной зоны и нижняя граница (дно) зоны проводимости обозначены соответственно WV и WC (здесь индексы v и c происходят от английских valency – валентность и conductivity - проводимость, соответственно). Ширина запрещенной зоны ∆WЗ = WC - WV является основным параметром энергетической диаграммы полупроводника. Она выражается в электрон-вольтах и для различных полупроводников составляет: для германия ∆WЗ ≈ 0,7 эВ; для кремния ∆WЗ ≈ 1,1 эВ; для арсенида галлия ∆WЗ ≈ 1,4 эВ.
а) б) в)
Рис. 1.3. Энергетические диаграммы собственного полупроводника (а) и полупроводников n-типа (б) и p-типа (в).
В результате тепловой генерации валентный электрон покидает ковалентную связь и становится электроном проводимости. Этот процесс на
энергетической диаграмме отражается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, он показан на рис. 1.3, а стрелкой, обозначенной индексом G. Заметим, что после ухода электрона в валентной зоне остается вакансия, т.е. дырка. Из диаграммы становится очевидным физический смысл ширины запрещенной зоны: это та энергия, которую необходимо сообщить валентному электрону, чтобы он стал свободным, ее можно также назвать энергией ионизации (активации) атома полупроводника. Обратный процесс рекомбинации, при котором свободный электрон заполняет вакансию и становится валентным электроном, показан на рис. 1.3, а стрелкой, обозначенной индексом R. Заметим, что стрелки, отражающие процессы генерации и рекомбинации, протекающие и в примесных полупроводниках, на рис. 1.3, б и 1.3, в не показаны.
Следует отметить, что ширина запрещенной зоны для различных материалов может очень сильно различаться. Так у проводников (к которым относятся большинство металлов) запрещенная зона отсутствует (∆WЗ = 0), и зона проводимости и валентная зона практически перекрываются. Поэтому даже при очень низких температурах концентрация свободных электронов и, соответственно, удельная электрическая проводимость металлов очень велики. Материалы с относительно узкой шириной запрещенной зоны (∆WЗ ˂ 3 эВ) относятся к полупроводникам, а материалы с более широкой запрещенной зоной (∆WЗ ˃ 3 эВ) относятся к диэлектрикам.
При введении в полупроводник атомов донорной примеси на энергетической диаграмме появляется новый разрешенный уровень WD, называемый донорным уровнем (см. рис. 1.3, б). Он соответствует неспаренному электрону пятивалентного атома примеси и находится в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. В связи с тем, что концентрация атомов примеси относительно невелика (по сравнению с концентрацией атомов полупроводника), атомы примеси находятся на значительном расстоянии друг от друга и практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому донорный уровень не расщепляется, а остается дискретным. Интервал энергии ∆WИ = WC - WD называется энергией ионизации атомов донорной примеси. В связи с тем, что связь неспаренного электрона с атомом слаба, энергия ионизации для разных примесей составляет ∆WИ ≈ 0,01 - 0,05 эВ, т.е. на полтора-два порядка меньше ширины запрещенной зоны. Процесс ионизации атома донорной примеси (переход неспаренного электрона в зону проводимости) показан стрелкой на рис. 1.3, б. Заметим, что при этом в валентной зоне дырки не образуются.
При введении в полупроводник атомов акцепторной примеси на энергетической диаграмме также появляется новый разрешенный уровень WА, называемый акцепторным уровнем (см. рис. 1.3, в). Он соответствует отсутствию четвертого валентного электрона у атома примеси и находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Процесс ионизации атома акцепторной примеси (переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень, сопровождающийся образованием дырки в валентной зоне) показан стрелкой на рис. 1.3, в. Также заметим, что при этом в зоне проводимости свободные электроны не образуются.
Электроны могут заполнять разрешенные уровни с определенной вероятностью. Связь вероятности p заполнения электроном энергетического уровня с энергией W определяется функцией Ферми-Дирака
, (1.1)
где WF - энергетический уровень Ферми;
k - постоянная Больцмана;
T - температура.
Выражение (1.1) имеет важное значение для всей полупроводниковой электроники. Экспоненциальная связь вероятности заполнения уровня электроном с энергией этого уровня определяет, как будет видно в дальнейшем, экспоненциальную связь тока с напряжением в полупроводниковых диодах и транзисторах.
Энергетический уровень Ферми представляет собой уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2. В этом нетрудно убедиться, подставив W = WF в (1.1). Заметим также, что поскольку вероятность заполнения энергетического уровня дыркой равна (1 - p(W)), уровень Ферми равновероятно может заполняться электроном или дыркой.
В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы и уровень Ферми WFi лежит примерно посредине запрещенной зоны (показан штрих-пунктирной линией на рис. 1.3, а). При введении в полупроводник донорной примеси увеличивается концентрация электронов и, соответственно, увеличивается вероятность их нахождения в зоне проводимости. В результате уровень Ферми WFn смещается вверх относительно середины запрещенной зоны (см. рис.1.3, б). При введении акцепторной примеси увеличивается концентрация дырок, и уровень Ферми WFp смещается вниз (см. рис.1.3, в). Заметим, что в обоих случаях смещение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны увеличивается с ростом концентрации примеси.
С другой стороны, при увеличении температуры усиливается тепловая генерация, поставляющая электроны и дырки в равных количествах. В результате концентрации электронов и дырок постепенно выравниваются, и уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны. Таким образом, с ростом температуры примесный полупроводник теряет примесные свойства и по своим свойствам приближается к собственному полупроводнику.
При относительно небольших концентрациях примесей уровень Ферми не приближается к границам запрещенной зоны ближе, чем величина энергии теплового движения частиц, равная 3/2 kT. В этом случае полупроводник называется невырожденным, и его свойства соответствуют описанным выше. При очень высокой концентрации примеси (более 1020 см-3) уровень Ферми приближается к границам запрещенной зоны ближе и может даже покинуть запрещенную зону, оказавшись в зоне проводимости в полупроводнике n-типа или в валентной зоне в полупроводнике p-типа. В этом случае полупроводник называется вырожденным. Концентрация свободных носителей заряда и, соответственно, его удельная электрическая проводимость настолько велики, что его по существу можно считать проводником (полуметаллом).
