ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Структура атома может быть представлена диаграммой, характеризующей раз­мещение электронов на соответствующих энергетических уровнях, — энергетическим спектром.

Любая замкнутая си­стема стремится занять положение, соответствующее минимальной внутренней энергии. В реальном атоме все разрешенные уровни, близ­кие к ядру, заполнены электронами, но на более удаленных орбитах имеются незаполненные разрешенные уровни.

Электроны, наименее связанные с ядром, могут вступать во взаимодействие с ядрами других атомов. Такие электроны называются валентными. Химическая валентность элемен­та определяется числом валентных электронов.

Атомы одного и того же элемента имеют одинаковый спектр. Однако, в твердом теле, где атомы расположены очень близко друг к другу, из-за взаимного влияния их спект­ральные линии расщепляются, образуя энергетические зоны. Зоны тем шире, чем дальше находятся электроны от ядра. Как видно из рисунка, ши­рина зон зависит и от расстояния между ато­мами d.

Между зонами, содержащими энергетические уровни, на которых могут находиться электроны (разре­шенные зоны), расположены зоны запре­щенных уровней (запрещенные зоны- ЗЗ).

Зона, в которой находятся уровни валентных электронов, называется валентной (ВЗ). Выше этой зоны в твердых телах имеется зона еще более высо­ких энергетических уровней, называемая зоной проводимости (ЗП).В данной зоне энергия электронов настолько велика, что они практически уже не являютсяч связанными и могут свободно перемещаться между атомами. Электро-проводность твердых тел обусловливается именно электронами, перешедшими из валентной зоны в зону проводимости.

Способность твердых тел проводить электрический ток принято характеризовать удельной проводимостью γ. В дифференциальной форме записи закона Ома (I = γЕ) удельная проводимость представляет собой коэффициент пропорциональности между напряженностью электрического поля Е и током I: γ = I/Е.

На рис. показано расположение энергетических зон в проводниках (а), полупроводниках (б) и диэлектриках (в).

В проводниках валентная зона 1частично перекрывает или, в крайнем случае, примыкает вплотную к зоне проводимости 2. Поэтому в проводниках при обычных усло- виях практически все валентные электроны находятся в зоне проводимости.

В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости 2отделена от валентной зоны 1запрещенной зоной 3, ширина которой тем больше, чем меньше проводимость вещества. У полупроводников ширина ЗЗ не превышает 2…3 эВ, в диэлектриках может быть более 15 эВ (1 эВ ≈ 1,6-10^-19 Дж).

В полупроводнике при температуре абсолютного нуля в ЗП все уровни свободны, т. е. проводимость полупроводника равна нулю. При повышении температуры часть электронов переходит из ВЗ в ЗП, и при комнатной температуре в полупроводнике имеется уже некоторое количество свободных электронов. Чем выше температура, тем больше свободных электронов, тем выше проводимость полупроводника,

К полупроводникам относятся такие элементы как германий, крем­ний, теллур, солен, бор и др., а также соединения типа А_IIIB_V, например, арсенид галлия.

Первые опыты по использованию полупроводников для генерирования и усиления сигналов были проведены инженером ГорьковскоЙ радио­лаборатории О. В. Лосевым в 1922—1927 гг. Широкое при­менение полупроводниковых материалов в электронной технике на­чалось с 40-х годов, после того как были разработаны теоретические основы физики твердого тела.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых приборов получили германий и кремний. Атомы этих элементов образуют кристаллы, имеющие форму тетраэдра — правиль­ной треугольной пирамиды.

В кристаллической структуре атом, расположенный в вершине любой из пирамид, равноудален от атомов, находящихся в углах ее основания, причем каждый из них в свою очередь представляет собой вершину другой пирамиды. Т.о., ядра всех атомов находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, образуя неподвижные узлы кристаллической решетки. Германий и кремний — элементы IV группы таблицы Менде­леева — имеют по четыре валентных электрона, которые создают в кристаллической решетке так называемые ковалентные связи. Сущ­ность ковалентной связи на плоскостной схеме кристаллической ре­шетки поясняют рисунок.

Ввиду близкого расположения ядер каждый из валентных элек­тронов подвергается воздействию одного из четырех соседних ядер и вращается по орбите, охватывающей собственное и соседнее ядра. При переходе электрона в зону проводимости он высвобождается от ковалентной связи. При этом атом оказывается заряженным положи­тельно и в ковалентной связи остается незаполненное место, на кото­рое может перейти электрон из ковалентной связи другого атома. Этот не заполненный электроном энергетический уровень (вакансия) называется дыркой.