щаются по кристаллической структуре и улучшают ее электропро-водимос;гь. Энергетические состояния электронов проводимости образуют зону значений энергии (уровней), называемую зоной иро-еодимостЦ (см. рис. 2.2, в). -

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в кристаллической решетке образуется незаполненная связь (дырка). Ей присущ нескоъшенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На незаполненную связь легко переходят валентные электроны из соседних связей, чему способствует тепловое движение в кристалле. Это приводит к хаотическому возникновению дырок в связях других атомов, что эквивалентно хаотическому перемещению положительных зарядов. При наличии внешнего электрического поля дырка будет двигаться в направлении, определяемом силами поля, в кристалле возникает электрический ток. Движение электронов и дырок в собственно полупроводнике обусловливает его собственную электропроводность. Она мала, ее можно улучшить, введя в монокристалл легирующие примеси.

Структура и диаграммы примесных полупроводников. Для изготовления электронных приборов и интегральных микросхем используют полупроводниковые материалы, электропроводность которых улучшена введением в них небольшого количества легирующих примесей. В качестве примесей к четырехвалентным германию и кремнию используются элементы V или П1 группы таблицы Д. И. Менделеева.

Если в моноструктуру германия ввести атомы элементов V группы (Р, As, Sb), то атом примеси образует с валентными электронами четырех смежных атомов германия четыре ковалентные связи (рис. 2.4, а) и тем самым создается стабильная восьмиэлектронная оболочка. Пятый валентный электрон примеси остается свободным от ковалентной связи. На него воздействуют кулоновские силы атомного остатка примеси и периодическое поле кристаллической структуры кристалла. За счет диэлектрической проницаемости среды кристалла он слабо связан с ядром, поэтому сравнительно легко отрывается от атома примеси и становится электроном проводимости.

Полупроводники, электропроводность которых обусловлена примесными электронами проводимости, называют электронными или

\\q3m трон

+UOH I

Рис. 2.4. Модель возникновения электронной (а, б) и дырочной (в, г) примесной

проводимости

г),р

-tOH% дырна

ный элвн-тпрон

n-полупроводниками (otr латинского negativus - отрицательный). Примеси, которые обеспечили электронную проводимость, называют донорными, поскольку они отдают свои электроны.

На энергетической диаграмме (рис. 2.4, б) электроны донорной примеси занимают уровни фд, близко расположенные от дна зоны проводимости фп. Перевод этих электронов в зону проводимости требует сравнительно небольших затрат энергии Дфд (около 0,01 эВ в германии и 0,04 эВ в кремнии).

При использовании в качестве примеси к четырехвалентному Ge или Si элементов III группы (In, Ga, AI, Во) с тремя валентными электронами в структуре полупроводника образуются лишь три заполненные валентные связи. Четвертая связь атома примеси остается свободной, а сам атом - электронейтральным.

За счет небольшой внешней энергии (около сотых долей электрон-вольта) электрон может выйти из соседних валентных связей и занять вакантное место в связи атома примеси (рис. 2.4, в). В этом случае атом примеси, например In, принявший свободный электрон, превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион. В валентной связи атомов основного полупроводника (потерявших электрон) образуется вакантное место (дырка), а сами атомы превращаются в подвижные положительно заряженные ионы. Полупроводники, электропроводность которых обусловлена образованием подвижных положительных зарядов, т. е. дырок в связях, называют дырочными или р-полупроводниками (от латинского posi-tivus - положительный), а соответствующие примеси - акцепторными («принимающими» электроны).

На энергетической диаграмме введение атомов акцепторной примеси приводит к появлению вакантного локального уровня вблизи потолка валентной зоны (рис. 2.4, г). При внешнем энерговоздействии на этот уровень может переходить электрон из валентной зоны основного полупроводника, оставляя свободным в ней новый энергоуровень. Свободные энергоуровни в валентной зоне могут занимать другие электроны, а в структуре полупроводника появятся подвижные дырки. Они и обусловливают примесную дырочную проводимость.

Основные и неосновные носители заряда. Практически не существует полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью. Электропроводность полупроводника определяется основными носителями заряда, концентрация которых намного больше концентрации неосновных носителей, т. е. п„Жгз, а рррп-Очевидно, в п-полупроводнике основными носителями заряда являются электроны- Пп, а неосновными - дырки р„, а в р-полупровод-нике - наоборот.

§ 2.3. Генерация и рекомбинация носителей заряда

Генерация носителей заряда. Под генерацией свободных носителей заряда понимают процесс образования свободных электронов и дырок в кристалле полупроводника. Выход электронов из связей

в кристаллической решетке требует дополнительных затрат энергии. По виду потребляемой энергии различают тип генерации.

Тепловая генерация происходит при воздействии теплового хаотического движения атомов кристаллической решетки. С энергетической точки зрения генерацию свободных электронов на зонной диаграмме можно представить как переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 2.4, г). С уходом-электрона в зону проводимости в кристаллической решетке полупроводника возникает незаполненная валентная связь и нескомпенсированный положительный заряд (дырка). При этом в структуре полупроводника образуется пара подвижных зарядов - отрицательный заряд (электрон) в зоне проводимости и положительный заряд (дырка) в валентной зоне, поэтому этот процесс именуется генерацией пар носителей заряда.

Свободный электрон хаотически перемещается между узлами кристаллической решетки на свободные энергоуровни. Переход электрона на образовавшееся вакантное место ведет к заполнению возникшей дефектной связи и появлению дырки в новой связи. На энергетической диаграмме этот процесс можно представить как последовательное замещение электронами освобождающихся энергоуровней в валентной зоне и соответствующее противоположное пе-. ремещение дырок. Возникновение дырок в структуре полупроводника отождествляют с перемещением положительных зарядов. В действительности, в кристалле совершается дискретный переход электронов в направлении, обратном движению дырок, а атомы в узлах кристаллической решетки неподвижны.

В результате генерации пар зарядов в структуре химически чистого (собственного) полупроводника появляются подвижные частицы обоих зарядов, способные участвовать в процессе электропроводности. Концентрации электронов щ и дырок р,- в собственном полупроводнике при генерации пар зарядов будут одинаковы {пг = =Pi)-

Тепловая ионизация в примесном полупроводнике возникает при более низкой температуре, чем температура тепловой генерации пар зарядов в собственном полупроводнике. Объясняется это тем, что энергия ионизации примесных атомов невелика (ДфА и Афд~0,01-Ь 0,04 эВ).

При ионизации атомов донорной примеси образуются подвижные заряды лишь одного знака - свободные электроны. Они и определяют тип электропроводности такого электронного /г-полу-проводника. Сами же атомы донорной примеси превращаются в неподвижные положительно заряженные ионы, у которых замещены •все валентные связи.

При тепловом возбуждении атомов акцепторного, полупроводника заполняются свободные валентные связи у акцепторных (примесных) атомов и образуются дырки в связях атомов основного полупроводника. В результате атом акцептора превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион, а в структуре основного полупроводника образуются подвижные носители лишь одного зна-