мости лежит зона запрещенных 33 энергоуровней для электронов данного твердого тела.

Между атомами твердых тел малы межатомные расстояния, поэтому между ними обеспечивается сильная электрическая связь. Вследствие этого в металлах сила притяжения валентных электронов к собственному ядру атома компенсируется силами взаимодействия между электронами соседних атомов. Обычно степень компенсации силы притяжения электронов к ядру в решетке металлов с незаполненными валентными оболочками (одним - тремя валентными электронами) больше, чем в решетке полупроводников и диэлектриков, атомы которых имеют четыре и более валентных электронов. Вследствие этого валентные электроны металлов слабо связаны с ядром и могут быть легко отделены от атома. Уже при комнатной температуре у металлов тепловая энергия достаточна для ионизации атома.

На зонной энергетической диаграмме металлов малая величина энергии ионизации отражена тем, что зона проводимости граничит с валентной зоной или перекрывается ею (см. рис. 2.2, б). При температуре абсолютного нуля все электроны в зоне проводимости металлов располагаются на низших энергоуровнях. В этом режиме нижняя часть зоны проводимости оказывается полностью занятой электронами, а верхняя - совершенно свободной. Верхний энерге- тический уровень зоны проводимости при температуре О К называют уровнем Wp, или потенциалом Ферми.

В атомах полупроводников и диэлектриков велики силы притяжения валентных электронов к ядру. Они не компенсируются силами междуатомных взаимодействий, поэтому зона проводимости ЗП отделена от валентной зоны ВЗ областью энергетических состояний, в которой не могут находиться свободные электроны. Ширина этой запрещенной зоны AW=Wu-Wb характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости Wa и потолка валентной зоны Wb и определяет минимальную энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т. е. энергию ионизации атома.

У собственных полупроводников AW (см. рис. 2.2, в) не превышает 2 эВ (у германия она 0,72 эВ, у кремния 1,12 эВ, у арсенида галлия 1,41 эВ). При температуре О К и отсутствии внешних энерговоздействий в запрещенной зоне полупроводников электронов нет, и они тока не проводят. Однако относительно небольшая ширина запрещенной зоны в полупроводниках допускает переход электронов из заполненной валентной зоны в зону проводимости уже при комнатной температуре.

У диэлектриков (см. рис. 2.2, г) благодаря прочной связи электронов с ядром атомов ширина запрещенной зоны AWIO эВ. Очевидно, для преодоления запрещенной зоны электронам необходимо сообщить относительно большую энергию. В диэлектриках переход электронов в зону проводимости вследствие тепловой ионизации маловероятен, что и предопределяет их плохую электропроводимость.

§ 2.2. Типы электропроводности полупроводников

физические свойства полупроводников. К полупроводникам относят вещества, занимающие по величине удельного электрического сопротивления р (или проводимости а) промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (табл. 2.1).

Характерным признаком полупроводников, выделяющим их в особый класс веществ, является сильная зависимость их электропроводимости от концентрации примесей и энергетических воздействий (температуры, света, ионизирующих излучений и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около 5% на 1°С), тогда как у металлов проводимость снижается, причем незначительно (на десятые доли процента на 1°С). Введение в полупроводник даже небольшого количества легирующих примесей (около 10-*%) существенно увеличивает его проводимость.

Полупроводники представляют собой наиболее многочисленный класс веществ. К ним относятся химические элементы, расположенные главным образом в IV-VI группах периодической системы элементов Д. И. Менделеева (Si, Ge, Pb, As, Sb, Se и др.), a также различные бинарные и тройные химические соединения (например, арсенид галлия GaAs, сернистый свинец PbS и др.). В электронике находит применение лишь ограниченное число известных полупроводниковых веществ, это главным образом - германий, кремний, а в последние годы - арсенид галлия, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяк и другие широко используют в качестве легирующих примесей.

Структура собственных полупроводников. Полупроводники, применяемые в электронике, имеют монокристаллическую структуру. Это значит, что по всему их объему атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Взаимное расположение атомов в решетке и расстояние между ними определяются силами межатомного взаимодействия. В 1 см германия содержится 4,4-1022, кремния - 5-1022 атомов.

Каждый атом кристаллической решетки электронейтрален. Атомы германия и кремния имеют соответственно по 14 и 32 электрона, которые распределены по оболочкам и подгруппам орбит (см.

Таблица 2.1

Рис. 2.3. Схема образования ковалентных связей в кристаллах гер-\. мания

§ 2.1). Внутренние оболочки атомов заполнены электронами, свободных уровней не имеют, поэтому дополнительные электроны не принимают и в процессах взаимодействия с другими атомами и в электропроводности не участвуют.

Внешние оболочки германия и кремния содержат по четыре электрона и имеют столько же свободных энергоуровней. В кристалле полупроводника внешние электронные оболочки атомов перекрываются, образуя единую энергетическую зону. Взаимодействие электронов внешних оболочек смежных атомов приводит к появлению у них общих орбит (рис. 2.3, а). На каждой орбите в соответствии с принципом запрета Паули может находиться до двух электронов, обладающих противоположными магнитными моментами. Эти электроны, находясь на одной орбите, принадлежат разным атомам. Между смежными атомами полупроводника (вследствие образования общих орбит у каждой пары валентных электронов, в равной мере принадлежащих обоим атомам) возникают парно-электронные (ковалентные) связи. На рис. 2.3, б приведен плоскостной эквивалент тетраэдрической кристаллической решетки германия или кремния с четырьмя валентными электронами, образующими четыре ковалентные связи. Эти связи условно изображены в виде двух параллельных линий. Каждый атом, оставаясь электронейтральным, обладает устойчивой 8-электронной оболочкой (см. рис. 2.3, а), в которой заняты все энергоуровни. Обычно такую идеально правильную кристаллическую решетку (с атомами в уз- лах и заполненными ковалентными связями) имеют химически чистые- собственные или i-полупроводники (от англ. intrinsic - истинный, собственный). В такой решетке силы притяжения электронов к ядру смежных атомов уравновешиваются силами их отталкивания, и равновесная система связей частиц остается устойчивой.

Виды носителей зарядов в полупроводнике. В рассмотренной идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако в полупроводниках сравнительно небольшие энергетические воздействия (нагрев, облучение) приводят к отрыву некоторых электронов от своих атомов. Вышедшие из ковалентных связей электроны называют электронами проводимости. Они переме-