Энергетические зоны полупроводников

Энергетические зоны полупроводников

Энергетические зоны полупроводников (Рисунок 1.3):

- Валентная зона (заполнена)

- Запрещенная зона

- Зона проводимости

При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости. По этой причине отсутствие электрона в валентной зоне приводит к появлению положительного – дырки.

Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.

В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью R=G, поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая ni, и собственная концентрация дырок, обозначаемая pi . Индекс i происходит от англ. intrinsic – собственный. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие ni = pi.

Валентные электроны, осуществляющие химические связи, не могут оторваться от своих атомов без значительных затрат энергии. Энергетические затраты на разрыв связи и освобождение электрона количественно выражают шириной запрещенной зоны. Атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, а незаполненная валентная связь содержит энергетическую вакансию для электронов, т.е. проявляет себя как дырка. Положительно заряженный ион может заимствовать электрон от любого соседнего атома, что приведет к перемещению дырки по кристаллу. Образовавшиеся электроны и дырки проводимости беспорядочно блуждают по решетке до тех пор, пока не рекомбинируют при встрече.

Под действием внешнего электрического поля движение носителей заряда приобретает направленный характер. При этом перемещение дырки к отрицательному полюсу источника можно представить как эстафетный переход валентных электронов от одного атома к другому в направлении против поля.

Ширина запрещенной зоны у германия 0,66 эВ, у кремния - 1,1эВ (при T = 300К).

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Если ширина запрещенной зоны Wg велика, так что ни температура, ни постоянное электрическое поле (и другие воздействия, которые не разрушают твердое тело) не могут сообщить электронам достаточную энергию для перехода в зону проводимости, то такое твердое тело не проводит электрический ток и является изолятором (диэлектриком). В диэлектриках зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет более 3 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Примесный полупроводник n-типа

При добавлении донорной примеси возле зоны проводимости появляются электроны. Энергетические уровни доноров располагаются вблизи дна зоны проводимости (0.13 – 0.16 эВ). В п/п такого типа основными носителями заряда являются электроны. Концентрация электронов донорной примеси во много раз больше, чем концентрация свободных электронов, которые образуются в результате собственной проводимости.

nn = Nд + ni; nn =(приблизительно) Nд

nn – общая концентрация электронов

Nд – концентрация электронов, получаемых от донорной примеси

ni – концентрация электронов от собственной проводимости

Примесный полупроводник p-типа

При добавлении акцепторной примеси возле валентной зоны появляются дырки. Энергетические уровни доноров располагаются вблизи вершины валентной зоны. В п/п такого типа основными носителями заряда являются дырки. Концентрация дырок акцепторной примеси во много раз больше, чем концентрация дырок, которые образуются в результате собственной проводимости.

pp = Na + pi; pp =(приблизительно) Na

pp – общая концентрация дырок

Nа – концентрация дырок, получаемых от акцепторной примеси

pi – концентрация дырок от собственной проводимости

Валентная зона является верхней заполненной зоной. Это энергетическая область разрешённых электронных состояний, которая заполняется валентными электронами. Зона проводимости это область, где находятся электроны валентной зоны, перешедшие запрещённую зону – то есть зону, где отсутствуют энергетические уровни.

Наличие запрещённой зоны означает, что для передвижения в зону проводимости электрону необходима большая энергия, чем ширина запрещённой зоны. Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается.