Основы зонной теории твердого тела

Электроны в твердых телах не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь строго определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями. При переходе электрона с одного уровня на другой уровень выделяется или поглощается квант энергии. Рассмотрим распределение электронов по уровням энергии в различных материалах.

У металлов зона проводимости примыкает к валентной зоне (рисунок 29а) и поэтому переход электронов из валентной зоны в зону проводимости происходит очень просто.

Рисунок 29. Распределение зон в металлах (а) и в диэлектриках (б)

 

У диэлектриков кроме зоны проводимости и валентной зоны существует еще и запрещенная зона шириной в несколько электрон-вольт (рисунок 29б). Поэтому при нормально температуре диэлектрики имеют ничтожно малое количество свободных электронов проводимости.

У полупроводников ширина запрещенной зоны составляет примерно 1 электрон-вольт (у германия – 0.72 эВ, а у кремния 1,1 эВ). Поэтому значительное число электронов может переходить из валентной зоны в зону проводимости. При температуре абсолютного нуля полупроводники без примесей являются диэлектриками. В них нет свободных электронов. При повышении температуры электроны валентной зоны получают дополнительную энергию и преодолевают запрещенную зону, становясь свободными. В валентной зоне возникает «дырка» - атом без электрона. Этот процесс называется генерацией пар носителей зарядов. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей зарядов происходят в полупроводниках постоянно и одновременно. Число свободных электронов и «дырок» в чистом полупроводнике одинаково. Если теперь к полупроводнику приложить напряжение, то в нем возникнет электрический ток, обусловленный движением электронов и «дырок». Удельная проводимость чистых полупроводников невелика и сильно зависит от температуры. В современной электронике с целью улучшения свойств полупроводников применяются полупроводники с большим содержанием примеси.

Примеси, которые отдают электроны, называются донорными. Число свободных электронов, отдаваемых донорными примесями, в 10 раз больше числа свободных электронов от чистых полупроводников. Поэтому в полупроводнике с донорными примесями число свободных электронов в такое же число раз превышает число «дырок».

Рисунок 30. Распределение зон в полупроводниках с донорной примесью

Полупроводник с преобладанием электронной проводимости называется полупроводником типа. Уровни доноров расположены вблизи зоны проводимости (рисунок 30). Поэтому электроны доноров свободно переходят в зону проводимости. Донорными примесями являются сурьма мышьяк и фосфор .

Примеси, отбирающие от атомов полупроводника электроны, называются акцепторными. Они образуют в полупроводниках преимущественную дырочную проводимость.

 

Число свободных «дырок», отдаваемых акцепторными примесями, в 10 раз больше числа «дырок» от полупроводникового материала. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником типа.

Рисунок 31. Распределение зон в полупроводниках с акцепторной примесью

Уровни акцепторов располагаются вблизи валентной зоны (рисунок 31). Акцепторными примесями являются бор алюминий . Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями. Неосновными носителями называются те носители, концентрация которых меньше.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о валентной зоне, зоне проводимости и о запрещенной зоне в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

2. Какие процессы происходят в чистых полупроводниках?

3. Расскажите о полупроводниках типа.

4. Расскажите о полупроводниках типа.

5. Что такое основные и неосновные носители заряда?

Образование и свойства перехода

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным (или ) переходом. переход обладает несимметричной проводимостью. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) основана на использовании свойств одного или нескольких переходов.

Образование перехода.

Пусть имеется соединение двух полупроводниковых материалов типа и типа (рисунок 32а). Носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочные тепловые движения, и происходит диффузия носителей из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их больше, туда, где их меньше. Из полупроводника типа в полупроводник типа диффундируют электроны, а в обратном направлении диффундируют «дырки».

В результате на границе образуются объёмные заряды различных знаков.

 

 

В области положительный объёмный заряд, в области отрицательный объёмный заряд. Между зарядами возникает контактная разность потенциалов: и электрическое поле с напряжённостью Потенциальна диаграмма перехода (рисунок 32б) показывает, что существует потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему диффузионному переходу носителей. Высота барьера составляет десятые доли вольта. Чем выше концентрация примесей, тем больше контактная разность потенциалов и высота барьера. Толщина барьера при повышении концентрации примесей уменьшается.

	Рисунок 32. Образование перехода

 

 

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием контактной разности потенциалов. Перемещение носителей за счёт диффузии представляет собой диффузионный ток . Движение носителей под действием поля контактной разности потенциалов создает ток дрейфа Каждый из токов имеет как дырочную, так и электронную составляющую. При постоянной температуре переход находится в состоянии динамического равновесия. При динамическом равновесии и . В средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (обеднённый носителями слой). Этот слой (рисунок 32в) имеет меньшую проводимость, чем и области и называется запирающим слоем.

Свойства перехода при прямом напряжении.

Пусть источник внешнего напряжения подключён положительным полюсом к полупроводнику типа (рисунок 33а). Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Электрическое поле, создаваемое в переходе действует навстречу контактной разности потенциалов. Результирующее электрическое поле в переходе становится слабее.

Потенциальный барьер понижается (рисунок 33б) и возрастает диффузионный ток, т.к. большее число основных носителей может преодолеть пониженный потенциальный барьер. Ток дрейфа при этом почти не меняется. Поэтому и полный прямой ток через переход .

	Рисунок 33. переход при прямом напряжении

 

Если барьер значительно понижен, то и можно считать, что

, т.е. прямой ток является чисто диффузионным. Прямой ток в любом сечении перехода имеет электронную и дырочную составляющие: При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но и уменьшается сопротивление перехода (единицы Ом). Поскольку контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, то прямое напряжение не должно превышать эту величину и большой ток через переход можно получить при таких же малых прямых напряжениях. Разность напряжений .

Свойства перехода при обратном напряжении.

Пусть источник внешнего напряжения подключён положительным полюсом к области, а отрицательный к области. Такое подключение создаёт обратное напряжение в переходе (рисунок 34а). Поле, создаваемое обратным напряжением , складывается с полем и потенциальный барьер растёт (рисунок 34б). Уже при небольшом повышении барьера диффузия основных носителей через переход прекращается, и .

Обратный ток обусловлен движением неосновных носителей и почти не меняется при увеличении . Сопротивление запирающего слоя возрастает и становится очень большим. При этом возрастает и толщина запирающего слоя, так как он ещё больше обедняется основными носителями. Обратное сопротивление .

 

	Рисунок 34. переход при обратном напряжении

 

 

С повышением температуры концентрация неосновных носителей растёт, обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.

Полупроводниковый диод – наиболее простой и надёжный элемент электронных устройств, представляющий собой один

переход. Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью и чаше всего применяется для выпрямления переменного тока.

Контрольные вопросы

1. Что называется переходом и для чего он применяется?

2. Расскажите о процессах в полупроводнике, происходящих при образовании перехода.

3. Что такое диффузионный ток и ток дрейфа? Каково их соотношение при образовании перехода?

4. Что такое прямое напряжение и как оно влияет на переход и его свойства?

5. Что такое обратное напряжение и как оно влияет на переход и его свойства?