1.1.      Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники

Полупроводник – вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних энергетических факторов (темпера­туры, электрического поля, света и др.).

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами ( 1/Ом·см) и диэлектриками ( 1/Ом·см).

В твердотельных электронных приборах используются полупроводники с ковалентной и ионной связями между атомами. Ковалентные полупроводники применяют, как правило, в виде монокристаллов, а ионные – в виде поликристаллов. В качестве ковалентных используются:

· простые полупроводники, входящие в IV группу периодической системы элементов, – германий (Ge), кремний (Si), алмаз (С);

· бинарные и тройные соединения – арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия-алюминия (GaAlAs), фосфид индия (InP), карбид кремния (SiC) и др.

Как правило, берется металл из третьей группы, а неметалл – из пятой группы периодической системы элементов. В качестве ионных полупроводников применяют обычно оксиды металлов переходной группы. В дальнейшем основное внимание будем уделять приборам на основе ковалентных полупроводников, поскольку они нашли наиболее широкое применение на практике.

Особенность электропроводности полупроводников обусловлива­ется спецификой распределения по энергиям электронов атомов, ко­торое характеризуется энергетической диаграммой полупроводника.

Сначала познакомимся с энергетической диаграммой изолированного атома.

В соответствии с принципами квантовой меха­ники электроны атома могут обладать определенны­ми значениями энергии или находиться на опреде­ленных  (разрешенных)  энергетических уровнях (рис. 1.1, а). В изолированном атоме су­ществует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов, различающихся направле­нием спиновых моментов (принцип Паули). Электро­ны низших уровней сильно связаны с атомом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого элек­троном, эта связь ослабевает.

В отсутствие внешних воздействий, увеличиваю­щих энергию электронов, атом находится в исход­ном (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами, а верхние – свободны. При наличии внешних воз­действий (тепловых квантов – фононов, квантов све­та – фотонов, электрического или магнитного поля и др.) электроны атома приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни (т.е. происхо

дит возбуж­дение атома) или вовсе освобождаются от атома и становятся свободными, не связанными с атомом (т.е. происходит ионизация атома). При этом внешнему воздействию более подвержены электроны высоких энергети­ческих уровней, слабее – связанные с атомом.

Согласно квантовой теории энергетическая диаграмма группы близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.1, б). Вследствие взаимодействия атомов друг с другом раз­решенные уровни энергии электронов соседних ато­мов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни энергии – под­уровни. При этом смещению подвергаются и уровни высоких энергий, где электроны слабо связа­ны с атомами. Подуровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энер­гии, которые отделены друг от друга запрещен­ными зонами. Число подуровней в каждой из раз­решенных зон равно количеству атомов в группе. Ширина энергетических зон достигает определенных значений, поскольку взаимодействие между атомами проявляется лишь до некоторого расстояния между ними.

Энергию в твердотельной электронике удобно измерять в электрон-вольтах (эВ), поскольку в этих единицах характерные значения энергии легко запоминаются и можно сравнить вид вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов в зависимости от используемых полупроводников. Заметим, что энергию 1 эВ приобретет электрон, если пройдет в вакууме ускоряющую разность потенциалов в 1 В. Для пересчета энергии в джоули необходимо энергию в электрон
-вольтах умножить на величину заряда электрона q = 1,62·10^-19 Кл.

Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешенной зоной. Электроны в твердом теле могут иметь энер­гии, соответствующие разрешенной зоне. Верхний энергетический уровень разрешенной зоны называют потолком, нижний – дном. Характерные энергетические промежутки между уровнями в разрешенных зонах равны:  эВ, а ширина самих зон составляет 1 эВ.

Энергетические уровни валентных электронов при расщепле­нии образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.