|
|
Отделение возбужденного электрона
от иона обычно проходит легче в легированном полупроводнике. Под легированием
понимают введение в структуру решетки природного полупроводника примесных
атомов различных элементов, содержащих по сравнению с атомами основного
материала большее или меньшее количество валентных электронов. Примесные
атомы вводятся в объем полупроводника, например, путем диффузии, которая
возникает при контакте соответствующих материалов в условиях повышенной
температуры. Поясним это на конкретном примере.
На самой удаленной от ядра орбите полупроводникового
кремния содержится четыре валентных электрона. В кристалле эти электроны
соединены с электронами четырех соседних атомов так называемой ковалентной
связью. В такой связи участвуют по одному из валентых электронов пары смежных
атомов. В результате кристаллическая решетка имеет специфическую форму (ее
можно наблюдать по очертаниям большого кристалла). Мы не можем дать ее точное
пространственное изображение и проследить все связи электронов, однако
схематически ее можно представить.
Итак, в кристалл кремния без существенного искажения его
решетки можно ввести небольшое количество примесных элементов, атомы которых
и^еют по 3—5 валентных электронов. При незначительных различиях в размерах
атомов допустимая концентрация примесей может достигать одной миллионной доли
от общего объема основного кристалла. Если примесным элементом является
мышьяк, то его атомы в кристаллической решетке занимают те же положения, чго
и атомы кремния, но они имеют по одному лишнему электрону. Этому электрону не
нужна валентная связь. Его можно рассматривать как свободный носитель
отрицательного заряда. Кристалл в целом остается электрически нейтральным,
поскольку отрицательный заряд каждого свободного электрона уравновешивается
соответствующим положительным зарядом ядра примесного атома, положение
которого в решетке определяется его связями. Легированный таким образом
материал называется полупроводником п-типа\ это означает, что его свободные
носители заряда имеют отрицательный (negative) знак.
Если вместо мышьяка в качестве примесных элементов
использовать бор или алюминий, то их атомы, имеющие только три валентных
электрона, также вписываются в кристаллическую решетку кремния. Однако теперь
число электронов оказывается недостаточным для образования прежних связей.
Место, которое за отсутствием электрона остается вакантным, называется
дыркой. В дальнейшем электрон, появившийся вблизи дырки, может заполнить
недостающую связь. При этом энергия электрона не изменяется. Перемещаясь,
электрон нарушает ближайшую связь, оставляя там дырку. Такой процесс сводится
к обмену положениями между электроном и дыркой. В обычном состоянии валентные
зоны такого кристалла заполнены электронами, но наблюдаем мы лишь дырки.
Когда электрон стремится занять место дырки, создается впечатление, что дырка
перемещается в противоположном направлении, поэтому для такого вещества в
целом характерно свободное перемещение дырок. Электрон, занимающий место
дырки, делает это лишь однократно и затем фиксируется там, тогда как дырка
перемещается непрерывно, занимая последовательно освобождаемые электронами
места. По отношению к остальной части кристалла дырка соответствует
недостающему в данном месте отрицательно заряженному электрону и ведет себя
подобно носителю положительного заряда. Так и условились считать дырки
носителями положительного заряда, а легированный таким образом материал —
полупроводником р-типа (positive). Как и прежде, кристалл в целом остается
электрически нейтральным, поскольку ядра примесных атомов, занявших положения
основных атомов кристалла, несут меньший положительный заряд, дефицит
которого восполняется свободными дырками.
Хотя доля примесных атомов в легированных полупроводниках
очень мала, но число создаваемых ими свободных носителей заряда в условиях
обычных температур оказывается значительно больше, чем при облучении
кристалла светом или при его нагревании. Поэтому носители заряда,
обусловленные легирующими примесями, называют основными носителями в отличие
от неосновных носителей, появляющихся при воздействии радиации или повышении
температуры.
Итак, легированные полупроводники n-типа имеют
фиксированные положительные и свободные отрицательные заряды, а р-типа,
наоборот, имеют фиксированные отрицательные и свободные положительные заряды.
В то же время в полупроводниках обоих типов могут присутствовать неосновные
носители, возникшие в результате радиационного или теплового воздействия. До
сих пор к категории носителей мы относилн только электроны. Если электрон
получает энергию, достаточную, чтобы перескочить запрещенную зону и покинуть
пределы атома, то в результате на его месте возникает дырка. Таким образом, в
этом случае и электрон, и дырка могут свободно перемещаться.
Прежде чем рассматривать вопрос об использовании этих
свойств полупроводников в преобразователях энергии, необходимо исследовать
влияние легирования на положение уровня Ферми. Этот уровень (см. 57)
соответствует такому значению энергий, при котором с повышением температуры
увеличение числа электронов, имеющих энергию выше уровня Ферми, равно
уменьшению числа электронов, энергия которых ниже этого уровня. Итак, в
собственном (нелегированном) полупроводнике при низких температурах все электроны
находятся в валентной зоне, заполняя ее Энергетические уровни. С повышением
температуры некоторое количество электронов переходит через запрещенную зону
и попадает в зону проводимости, а в валентной зоне при этом образуется
соответствующее количество дырок. Отсюда следует, что уровень Ферми в таком
материале находится в центре запрещенной зоны ( 70, а). При легировании
такого материала с образованием кристалла n-типа энергия возникающих
свободных электронов должна быть близка к энергии электронов в зоне
проводимости, В таком кристалле уровень Ферми ( 70,6) смещается к нижней
границе зоны проводимости. Аналогично этому легирование полупроводника с
образованием кристалла р-типа вызывает смещение уровня Ферми к верхней
границе валентной зоны ( 70, в). Эти диаграммы, наглядно иллюстрируя
расположение электронных энергетических уровней в полупроводниках, помогают
также понять роль дырок; они показывают распределение и возможности
перемещения обоих типов зарядов, что поможет нам лучше разобраться в их
поведении при рассмотрении более сложных ситуаций.
|