В собственных полупроводниках

Модельные представления о механизме образования свободных носителей заряда и зарядопереносе

Беспримесный, химически чистый полупроводник называют собственным. При Т = 0 К проводимость в собственном полупроводнике отсутствует, так как зона проводимости пуста, а валентная зона заполнена полностью. В качестве примера собственного полупроводника рассмотрим далее беспримесный монокристаллический кремний. Каждый внутренний атом в кристаллической решетке кремния связан с ближайшими соседями четырьмя ковалентными связями, образованными спаренными валентными электронами. При Т ≠ 0 К тепловая энергия разрывает некоторые связи, что приводит к образованию пары подвижных носителей зарядов: электрона в зоне проводимости и незаполненной связи – так называемой дырки– вблизи того атома, от которого оторвался электрон. Этот процесс называют термической генерацией свободных носителей путем перехода зона – зона. Обратный ему процесс называют рекомбинацией свободных носителей по механизму зона – зона. Свободный электрон в зоне проводимости мы будем изображать кружочком с минусом внутри, а свободную дырку в валентной зоне - кружочком с плюсом внутри (рис.1.1.3).

а - термоактивированный разрыв ковалентной связи с образованием элетронно-дырочной пары;

б – межзонные переходы электрона, соответствующие генерации (1) и рекомбинации (2) свободных носителей зарядов в полупроводниках. (-) – электрон в зоне проводимости; (+) – дырка в валентной зоне

Рис. 1.1.3. Образование свободных носителей заряда в собственном кремнии при Т ≠ 0 К

В состоянии теплового равновесия динамический баланс между процессами генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар определяет равновесную концентрацию свободных носителей в собственных полупроводниках при заданной температуре. Равновесную концентрацию свободных носителей заряда в беспримесном полупроводнике обозначают, используя нижний индекс i, и называют собственной концентрацией свободных носителей заряда:– собственная концентрация электронов; - собственная концентрация дырок. Из механизма, представленного на рис. 1.1.3, ясно, что = . По этой причине говорят просто о собственной концентрации свободных носителей и обозначают её символом . В микроэлектронике концентрации примесных атомов и свободных носителей заряда принято измерять в единицах (1/см³). Например, для кремния при Т = 300К = 1.45∙10¹⁰ см^-3.

В результате появления свободных электронов в зоне проводимости и вакантных состояний в валентной зоне полупроводник приобретает способность проводить электрический ток. Подчеркнем еще раз: поскольку зоны разрешенных энергий практически сплошные (Δ E_min~10^-23 эВ), то электроны в почти свободной зоне проводимости могут легко приобретать небольшие порции энергии дрейфового движения и тем самым реагировать на приложенное электрическое поле, создавая электрический ток. Именно поэтому электроны в зоне проводимости называют свободными. Электроны почти занятой валентной зоны также приобретают возможность участвовать в зарядопереносе. В самом деле, электрон ковалентной связи может «перепрыгнуть» и занять близлежащую вакантную валентную связь, оставив за собой другую вакантную связь. В результате будет происходить перемещение вакантной связи в направлении, противоположном прыжковому движению электрона. Когда приложенное поле сообщает обобществленным электронам валентной зоны некоторое результирующее движение, вакантная связь движется в противоположном направлении. Следует отметить, однако, что отождествление незанятых электронных состояний валентной зоны с вакантной связью между соседними атомами есть модельное представление, достаточно грубое, хотя и удобное. Коллективное движение электронов в валентной зоне удобно описывать через поведение незанятых состояний, рассматривая их так, как будто они представляют собой квазичастицы с положительным зарядом. Их принято называть дырками. Подчеркнем: такая модель применима только при рассмотрении зарядопереноса в почти заполненной валентной зоне. Понятие дырки в свободном пространстве лишено смысла. Аналогом дырки можно считать пузырек газа в жидкости, почти полностью заполняющей сосуд.