Рефераты по Физике

Физика туннельного диода

Страница 2

Добавление к кристаллу элементов III и V группы элементов таблицы Менделеева приводит к некоторому изменению свойств кристаллической решётки. Если атом германия заменить на элемент V группы (например, мышьяка), имеющего на внешней оболочке пять электронов, то его четыре электрона объединяться с внешними электронами четырёх соседних атомов германия, образовав ковалентные связи рис 2а. Пятый электрон, который не в состоянии образовать такую связь, может быть легко оторван от атома и стать свободным, что позволит ему участвовать в электропроводности.

Величину энергии, необходимой для отрыва избыточного электрона от атома примеси, можно оценить, сравнив этот отрыв с отрывом электрона от атома водорода. Кулоновские притяжение в твёрдом теле (германии) ослабляется по сравнению с атомами водорода в ε раз, где ε − диэлектрическая проницаемость материала. Так как энергия ионизации атома водорода равна 13,6 эв, а диэлектрическая проницаемость германия ε=15,8, то можно ожидать, что энергия ионизации атома примеси будет около 0,05 эв. В действительности эта величина ещё меньше, вследствие большей удалённости электрона от атома, чем у водорода, и из-за меньшей эффективной массы электрона по сравнению с массой свободного электрона. Обычно потенциал ионизации имеет величину порядка 0,01 эв и так как энергия теплового движения даже при комнатной температуре (kT=0,026 эв) превосходит эту величину, то все атомы примеси ионизированы. На зонной диаграмме рис 2б, это отразиться расположением энергетических уровней, соответствующих примесным атомам элементов V группы в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости.

Избыточный электрон, оторванный от примесных атомов (достаточно энергии теплового движения), попадает в зону проводимости. При этом неподвижный атом примеси становится положительно заряженным ионом. Такая примесь, способная отдавать электроны, называется донорной, а полупроводник, получивший электроны от этой примеси, − электронным полупроводником, или полупроводником n-типа.

В случае замены атома германия элементом III групп (например, индием) три электрона его внешней оболочки образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов германия (рис. 2, а), а четвертая связь останется одноэлектронной, так как у атома примеси нет еще одного электрона Недостающий электрон для незаполненной связи может был получен при разрыве какой-нибудь соседней ковалентной свя­зи атома германия. При этом атом примеси становится отри­цательным ионом, а в месте разрыва ковалентной связи воз­никает дырка. Такие акты образования дырок идут непрерывно. Эти дырки свободно перемещаются по кристаллу и участвуют в электропроводности. Полупроводник, в котором электропроводность обусловлена дырками, называется дыроч­ным, или полупроводником p-типа (p-positive), а примеси III группы, приводящие к образованию дырок,—акцепторами. Энергетические уровни акцепторных примесей будут расположены внутри запрещенной зоны вблизи границы валентной зоны (рис.2,6).

Положение уровня Ферми в электронном и дырочном полупроводниках можно найти не только путем аналитического решения сложного уравнения, но и графическим способом. Предварительно не­обходимо заметить, что в электронном полупроводнике, кроме донорных примесей, могут находиться и акцепторные. Но что бы электропроводность была обусловлена в основном носителями одного знака, концентрация донорных примесей должна значительно превосходить концентрацию акцепторных. Такое положение часто возникает при недостаточной очистке (из-за ее трудности или нерентабельности технологии) исходного материала от имеющихся в нем примесей и последующим введе­нием требуемых примесей. Аналогичное замечание может быть сделано и о наличии донорных примесей в дырочном полу­проводнике. Так, до сих пор еще не получен чистый (собственный) кремний, потому что он содержит трудно удаляемую примесь бора, являющуюся для кремния акцептором. Для получения кремния с электронной проводимостью в него надо ввести донорные примеси в таком количестве, чтобы они значительно превысили естественную концентрацию акцептора (бора) в исходном материале. В случае равенства концентраций доно­ров и акцепторов поупроводник называют «скомпенсирован­ным».

Для упрощения графических построений при определение уровня Ферми можно предполагать, что все примесные центры из веществ III и V групп при комнатной температуре ионизированы (что практически всегда свойственно большинства примесей III—V групп, особенно при введении их в герма­ний), т. е. донорные атомы их отдали свои избыточные элек­троны, а акцепторные атомы приняли недостающие электро­ны. При этом донорные центры становятся положительно за­ряженными ионами, а акцепторные—отрицательными ионами. Условие электрической нейтральности полупроводника, нахо­дящегося в тепловом равновесии, требует, чтобы общая кон­центрация отрицательных зарядов (равная сумме концентра­ций электронов в зоне проводимости n и отрицательных ионов ионизированных атомов акцепторов NA) была равна общей концентрации положительных зарядов (определяемой суммой концентраций дырок в валентной зоне p и ионизированных атомов доноров ND). Таким образом,

n + NA = p + ND .

Концентрация электронов в зоне проводимости от донор­ных примесей определяется положением уровня Ферми и на­ходится из выражения, связывающего ее с уровнем Ферми

где EF — энергия уровня Ферми;

Еc— энергия, соответствующая дну зоны проводимости;

k—постоянная Больцмана;

Т—абсолютная температура;

h—постоянная Планка;

mn — эффективная масса электрона.

Аналогичным выражением определяется и концентрация дырок в валентной зоне от акцепторных примесей

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11