Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
температуре все электроны с донорных уровней перейдут в зону
проводимости и, следовательно, концентрация свободных
электронов будет постоянна вплоть до тех температур, при которых
начнет проявляться собственная проводимость. Таким образом,
температур-
т
Рис. 1.7. Температурная зависимость
концентрации электронов в
примесном полупроводнике.
Рис. 1.8. Температурная зави-
симость концентрации носителей
для ряда образцов с различным
содержанием примесей.
ная зависимость концентрации свободных электронов в широком
интервале температур будет иметь вид, представленный на рис. 1.7;
при высоких температурах примесный полупроводник становится
собственным.
На рис. 1.8 дана температурная зависимость концентрации
носителей для ряда образцов с различным содержанием примесей
(JVt <. N2<. N3 . . .).
Как видно из рисунка, при некоторой концентрации примесей
(кривая JV4) горизонтальный участок кривой исчезает; это значит,
что возбуждение электронов в заполненной зоне началось раньше,
чем исчерпались электроны на примесных уровнях. При
дальнейшем повышении содержания примесей наклон прямой на
участке примесной проводимости начинает уменьшаться - энергия
активации примесных электронов начинает падать и, наконец,
начиная с некоторой концентрации (Na), обращается в нуль;
концентрация свободных электронов остается
22
постоянной начиная от самых низких температур и до температур,
при которых начинается собственная проводимость. Такие
вещества называются полуметаллами, при низких температурах
они ведут себя как металлы (так как п = const, то
электропроводность падает с ростом температуры за счет
уменьшения подвижности), при высоких - как полупроводники.
Содержание примесей, при котором примесный полупроводник
превращается в полуметалл, для различных материалов различно,
но в большинстве случаев колеблется в пределах от 0,001% до
0,01%, что соответствует концентрации электронов 1017-1018 в 1
сж3.
2. Уровень, занятый валентным электроном примесного атома,
расположен ниже верхнего края заполненной зоны; следующий за
ним свободный уровень расположен немного выше верхнего края
заполненной зоны. Валентные электроны примесных атомов, попав
в общую массу валентных
Первые свободные
уровни примесных
атомов
Рис. 1.9. Энергетический спектр примесного
дырочного полупроводника.
электронов кристалла, не будут сколько-нибудь заметно влиять на
электропроводность. В этом случае оказывается весьма
существенной роль первых свободных уровней примесных атомов
(рис. 1.9). При температуре, отличной от абсолютного нуля, часть
электронов из заполненной зоны будет забрасываться на свободные
уровни примесных атомов, в заполненной зоне появятся пустые
места - дырки - и станет возможной дырочная проводимость.
В электрическом поле электроны движутся от минуса к плюсу,
следовательно, дырки движутся в обратном направлении, т. е. ведут
себя как положительные заряды. Таким образом, сложное
эстафетное движение электронов мы можем рассматривать как
перемещение фиктивной
23
положительно заряженной частицы - дырки. В соответствии со
сказанным выше, такой механизм проводимости называется
дырочным, а этот тип полупроводников - примесными дырочными
полупроводниками. Энергетические уровни, на которые
забрасываются электроны из заполненной зоны, называются
акцепторными; атомы, которым принадлежат эти уровни,-
акцепторами. Температурная зависимость концентрации дырок
дырочного полупроводника имеет тот же вид, что и электронного
(рис. 1.7 и 1.8). При низких температурах экспоненциально растет
концентрация дырок, и затем, когда все акцепторные уровни уже
забиты, она делается постоянной вплоть до той температуры, при
которой начинает проявляться собственная проводимость. Точно
так же при определенном содержании примесей дырочный
полупроводник превращается в дырочный полуметалл.
ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА
В предыдущих параграфах мы часто использовали термин
"свободные электроны", имея в виду при этом электроны, которые
могут перемещаться под действием электрического поля, т. е.
принимать участие в электрическом токе. Не следует, однако,
понимать этот термин буквально. Свободной мы с полным правом
можем называть частицу, которая настолько удалена от других тел,
что не испытывает практически никакого воздействия и находится,
в согласии с первым законом Ньютона, в состоянии покоя или
прямолинейного и равномерного движения. Если же частица
движется в поле других частиц и испытывает их притяжение, то
свободной мы ее называем в том случае, если ее кинетическая
энергия больше энергии связи с частицами и поэтому она движется
по незамкнутой траектории, т. е. с течением времени удалится на
сколько угодно большое расстояние от частиц, в поле которых она
находится.
Второй случай есть и в известном смысле обобщение первого:
"когда-то давно" частица была достаточно удалена от других тел и
двигалась почти прямолинейно и равномерно. При своем
