Основы электроники: учебное пособие [Андрей Владиславович Кириллов] (pdf) читать постранично, страница - 3

внешнему воздействию подвержены электроны высо­
ких энергетических уровней, слабее связанные с атомом.
Согласно квантовой теории, энергетическая диаграмма группы
близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения
по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2).
В результате взаимодействия атомов друг с другом, разрешенные
уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близ­
ко расположенные смещенные уровни энергии — подуровни. Под­
уровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии,
которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число под­
уровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в груп­
8

пе (например, на рис. 1.2 показана энергетическая диаграмма для че­
тырех близко расположенных атомов).

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма группы
близко расположенных атомов

1.1. О с о б е н н о с т и
э л е к т р о п р о в о д н о с т и т в е р д ы х тел
На электропроводность твердого тела существенное влияние оказы­
вает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии
в верхней части энергетической диаграммы (см. рис. 1.2). В зависимо­
сти от электронной структуры атома и строения кристаллической ре­
шетки, между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо
может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две
вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три клас­
са кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники.
На энергетических диаграммах (рис. 1.3) можно выделить две ха­
рактерные зоны разрешенных значений энергии: нижнюю (заполнен­
ную), она называется валентной зоной, и верхнюю (свободную), она
называется зоной проводимости.
9

1 Электропроводность полупроводников, эѳспримесныѳ и примесные полупроводники

а

б

в

Рис. 1.3. Энергетические диаграммы:
а — металл; б — полупроводник; в —диэлектрик

В отсутствие внешних воздействий на электроны (электрического
и магнитного полей, облучения квантами света, а также при Т= ОК),
все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней
зоне электронов нет.
Рассмотрим различие в электропроводности указанных трех клас­
сов кристаллических тел с точки зрения особенностей их энергетиче­
ских диаграмм.
В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к ва­
лентной зоне (см. рис. 1.3, а). Электронам валентной зоны достаточ­
но сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону сво­
бодных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического
поля, в металле имеется большое число свободных (не связанных с ато­
мами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электриче­
скую проводимость.
В полупроводниках (см. рис. 13,6) свободная зона отделена от ва­
лентной зоны запрещенной зоной энергии AJ¥3. Величина AW3опреде­
ляет энергию (в электронвольтах), которую нужно сообщить электро­
ну, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной
зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне
10

i.P. / іо с и т ѳ л и заряда в бѳапрі«іѳаных -чі іатьіх) полупроводниках

свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии
для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов
из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению
числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с метал­
лом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.
Способность преодоления электронами запрещенной зоны зави­
сит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температу­
ры кристалла: с повышением температуры проводимость чистых по­
лупроводников возрастает.
Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел, относя­
щихся к полупроводникам, не превышает 3 эВ (ДЖ3< 3 эВ). Их элек­
трическая проводимость возникает при температуре выше 80... 100 К.
Диэлектрики (см. рис. 1.3, в) отличаются от полупроводников бо­
лее широкой запрещенной зоной. У них АЖ3 > 3 эВ и может достигать
6. ..10 эВ. В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становит­
ся заметной лишь при температуре не ниже 400...800 °С или сильных
электрических полях (пробой).

1.2. Н о с и т е л и з а р я д а в б е с п р и м е с н ы х
(чистых) п о л у п р о в о д н и к а х
Рассмотрим особенности образования носителей заряда в полупро­
водниках на примере германия и кремния, получивших наибольшее
распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.
Германий и кремний принадлежат к IV группе Периодической си­
стемы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четы­
ре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия равна
0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ (ДЖ3 (Ge) = 0,72 эВ; ДЖ. (Si) = 1,12 эВ).
В отсутствие структурных дефектов и при Т= 0 К, четыре валентных
электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют
в так называемых ковалентных связях с соседними атомами. Эти