Электрические свойства полупроводниковых материалов

Атомы всех веществ состоят из ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся электроны. Электроны могут двигаться вокруг ядра по строго определенным (разрешенным) орбитам.

Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии, или энергетическими уровнями.

Электрон, вращающийся на самой близкой к ядру орбите, обладает минимальной энергией, а вращающийся на самой удаленной – максимальной.

Переход электрона с одной орбиты на другую связан с изменением его энергетического уровня. Чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень (удалить от ядра), необходимо затратить определенное количество энергии (квант или фотон). При обратном переходе электрона с более удаленной орбиты на более близкую к ядру его энергия излучается в виде кванта.

Распределение электронов по энергетическим уровням можно изобразить схематически в виде зонных энергетических диаграмм (рис. 2.1).

В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зоны. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону (ВЗ). Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, но эти зоны не играют роли в явлении электропроводности и на рисунке не показаны. В металлах и полупроводниках большое число электронов находится на более высоких энергетических уровнях, которые составляют зону проводимости (ЗП). Электроны проводимости совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность проводников (металлов). У проводников (металлов) валентная зона (ВЗ) примыкает к зоне проводимости. У полупроводников валентная зона отделяется от зоны проводимости запрещенной зоной (ЗЗ), т.е. уровнями энергии, на которых электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны DW определяется энергией, необходимой для перевода одного электрона с низшего разрешенного уровня на высший и измеряется в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ – это энергия, необходимая для перемещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 В.

Электропроводность того или иного твердого вещества определяется шириной запрещенной зоны.

В зоне проводимости электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными, способными под влиянием внешнего электрического поля перемещаться между атомами вещества.

а б в

Рис. 2.1. Зонные энергетические диаграммы: а – проводник;

б – полупроводник; в – диэлектрик

В проводнике (ΔW = 0) зона проводимости и валентная зона примыкают друг к другу (иногда могут перекрывать друг друга). При обычных температурах электроны легко переходят из одной зоны в другую. Число электронов в зоне проводимости велико. Эти электроны, двигающиеся беспорядочно, под воздействием разности потенциалов могут начать двигаться упорядоченно, создавая электрический ток.

В полупроводнике (ΔW = 0,7-2,5 эВ) электропроводность меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков. Наличие в полупроводнике при обычных условиях некоторого числа свободных электронов делает их похожими на металлы. При достаточном охлаждении полупроводник становится диэлектриком, а при нагреве или освещении его – проводником.

В диэлектрике (ΔW >> 3 эВ) широкая запрещенная зона может достигать 8 эВ. Чтобы электрон смог преодолеть запрещенную зону, нужно сообщить ему значительную энергию. Однако, при попытке сообщить ее электрону, произойдет пробой диэлектрика, т.е. разрушение (непоправимое) кристаллической структуры. У диэлектрика мало электронов в зоне проводимости.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от наличия примесей.