Электропроводность полупроводников

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Курс лекций

Тольятти

ТГУ

2014

Полупроводниковые приборы

Электропроводность полупроводников

      Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Особенность электропроводности полупроводников обуславливается спецификой распределения по энергии электронов атомов, которая характеризуется энергетической диаграммой полупроводника.

                         Рисунок 1.1                              Рисунок 1.2

      В соответствии с принципами квантовой механики электроны атомов могут обладать определенными значениями энергии и находиться на определенных (разрешенных) энергетических уровнях (рисунок 1.1). В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов. Электроны низших уровней связаны сатомами сильнее, чем электроны высших уровней. То есть  по мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, связь его с атом ослабевает.

      В отсутствии внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов, атом находится в исходном (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами – а верхние свободны. При наличии внешних воздействий (тепловые кванты- фононы, кванты света- фотоны, электрическое поле, магнитное поле и т. д.), электроны атома переходят на более высокие энергетические уровни или вовсе освобождаются от атомов и становятся свободными. При этом внешнему воздействию подвержены электроны верхних уровней, слабее связанных с атомом.

   Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смешанные уровни энергии- подуровни (рисунок 1.2). Подуровни образуют зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе.

На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы. В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки запрещённая зона между соседними атомами разрешенных уровней может сохраниться или её может не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел:

· Проводники

· Диэлектрики

· Полупроводники

Рисунок.1.3                 Рисунок 1.4                   Рисунок 1.5

В металлах (рисунок 1.3) энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, в полупроводниках (рисунок 1.4) и диэлектриках (рисунок 1.5)- прерывистый. Зоны разрешенных значений разделены запрещенной зоной . На энергетических диаграммах можно выделить две зоны разрешенных значений - нижнюю (заполненную или валентную) и верхнюю (свободную или зону проводимости). В отсутствии внешних воздействий на электроны и при все уровни нижней зоны заполнены электронами, а в верхней зоне электронов нет.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне (рисунок 1.3). Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону проводимости. Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое количество свободных электронов, обеспечивающих его высокую электропроводность.

В полупроводниках (рисунок 1.4) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии . Величина  определяет энергию в электрон-вольтах, которую нужно сообщить электрону, чтобы он перешел с верхнего энергетического уровня в валентной зоне на нижний энергетический уровень в зоне проводимости. Необходимость сообщения достаточно большой энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и уменьшает электропроводность материала. Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов, особенно от температуры. Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел не превышает 3 эВ. Их электрическая проводимость возникает при .

Диэлектрики (рисунок 1.5)отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. У них . Поэтому проводимость диэлектриков мала и становится заметной при или сильных электрических полях (пробой).