Електрофізичні властивості напівпровідників
Всі речовини утворені атомами, що складаються з позитивно заряджених ядер і обертаються навколо них негативно заряджених електронів. Ядро включає електрично нейтральні частинки – нейтрони і позитивно заряджені протони. Кількість протонів визначає заряд ядра. Негативний заряд електрона по вели-чині дорівнює позитивному заряду протона. У нормальному
Стані число електронів, створюючих електронну оболонку атома, дорівнює числу протонів в ядрі, і атом електрично нейтральний. Електрони обертаються навколо ядра по орбітах, згрупованих в шари. Кожному шару відповідає строго певна енергія електрона W (так званий дозволений енергетичний рівень). Кількість електронів в шарах строго визначено: у першому, найближчому до ядра шарі може перебувати не більше двох електронів, у другому – не більше восьми і т. д. Електрони цілком заповнених шарів стійкі до зовнішніх впливів. “Не вмістилися” у внутрішніх шарах електрони утворюють незаповнений зовнішній шар, який легко віддає і приймає електрони. Ці електрони визначають валентність елемента при хімічних реакціях. Чим далі від ядра розташована орбіта електрона, тим більшою енергією він володіє. Під впливом енергії теплоти, світла, радіації або яких-небудь інших зовнішніх факторів електрон з валентної зони може перейти на нову, більш віддалену від ядра орбіту. Такий електрон називається збудженим, а при подальшому збільшенні енергії, званої роботою виходу, електрон залишає поверхню речовини.
У кристалі відбувається взаємодія між сусідніми атомами, що полягає в тому, що на електрони атома впливають ядра сусідніх атомів. В результаті дозволені енергетичні рівні електронів зміщуються і розщеплюються на декілька – по числу сусідніх атомів у кристалічній решітці. Ці рівні створюють енергетичні зони. Сукупність енергетичних рівнів, що відповідають зовнішньому шару електронів, утворює валентну зону. Дозволені рівні енергії, які залишаються незайнятими, складають зону провідності, так як її рівні можуть займати збуджені електрони, що забезпечують електропровідність речовини. Між валентною зоною і зоною провідності може розташовуватися заборонена зона.
Зонна структура лежить в основі поділу речовин на провідники, напівпровідники і діелектрики. На рис. 1.1 показано розташування енергетичних зон для цих груп речовин. У провідників (металів) валентна зона 1
І зона провідності 2 перекривають один одного (рис. 1.1, а)
І валентні електрони легко переходять у зону провідності. У діелектриків (рис. 1.1, б) ширина забороненої зони велика (більше 6 еВ (електрон-вольт)), і для переходу валентних електронів в зону провідності треба повідомити
Значну енергію (такий процес відбувається при пробої ізоляції). У напівпровідників (рис. 1.1, в) заборонена зона відносно мала і коливається від 0,1 до 3,0 еВ.
У кристалічній решітці чотирьохвалентного напівпровідника (наприклад, кремнію) кожен атом пов’язаний з чотирма сусідніми атомами за допомогою двох валентних електронів – по одному від кожного атома. Такий зв’язок називається ковалентним. При її освіті електрон належить уже не одному, а обом пов’язаним між собою атомам, тобто є для них спільним. У результаті навколо кожного ядра утворюється восьміелектронная оболонка, стійка до зовнішніх впливів. Так як всі валентні електрони виявляються міцно пов’язаними між собою, вільних електронів, здатних забезпечити електропровідність, немає. Таку структуру мають хімічно чисті напівпровідники при температурі абсолютний нуль. Під впливом зовнішніх факторів (наприклад, при підвищенні температури) окремі електрони атомів кристалічної решітки набувають енергії, достатньої для звільнення від ковалентних зв’язків, і стають вільними.
При звільненні електрона від ковалентного зв’язку в кристалічній решітці виникає як би вільне місце, що володіє позитивним зарядом. Таке місце називається діркою, а процес утворення пари “вільний електрон – дірка” – генерацією. В дірку може “перескочити” валентний електрон з ковалентного зв’язку сусіднього атома. В результаті ковалентний зв’язок в одному атомі відновиться (цей процес називається рекомбінацією), а в сусідньому зруйнується, утворюючи нову дірку. Таке переміщення дірки по кристалу рівносильно переміщенню позитивного заряду.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)