Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
103 что при совершенно заполненной энергетической зоне тоже не может быть никакого суммарного тока. Это не должно нас удивлять: в совершенно заполненной энергетической зоне на каждый электрон, движущийся влево, найдется электрон, движущийся вправо. Вспомним, что каждый энергетический уровень — это «улица с двусторонним движением», по которой не могут двигаться одновременно больше чем две пары электронов, а в заполненной зоне все энергетические уровни заняты двумя парами электронов, каждый из которых движется в свою сторону. Если к изолятору приложить очень сильное электрическое поле, то некоторые электроны могут перескочить из высшей заполненной зоны на более низкую, незаполненную зону и таким образом получить возможность свободно двигаться; но для этого требуется исключительно сильное электрическое поле.
В проводниках, таких, как чистые металлы, одна из зон, называемая зоной проводимости, лишь частично заполнена электронами. Когда к такому веществу приложено электрическое поле, часть электронов, двигавшихся в одну сторону, может перейти на чуть более высокие свободные уровни энергии и начать перемещаться в противоположном направлении. Благодаря этому в одну сторону будет двигаться несколько больше электронов, чем в другую, и, следовательно, электрическое поле сможет вызвать в веществе результирующий электрический ток.
Металлы — очень хорошие проводники. Другие же вещества упорно остаются изоляторами. Есть, наконец, третий класс веществ, называемых полупроводниками: они могут проводить ток лишь в том случае, когда к ним в чрезвычайно малых количествах добавляются определенные примеси. Кремний и германий — полупроводники. Наличие примесей в них может сказываться двояко.
Присутствие малых количеств химических элементов одной группы, в том числе фосфора, мышьяка и сурьмы, приводит к тому, что свободные уровни заполняются электронами. Пока электрическое поле отсутствует, эти электроны распределяются по четыре на каждом уровне, причем два движутся влево и два — вправо. Но если к такому материалу приложить слабое электрическое поле, так что появляется сила, под действием которой электроны будут стремиться двигаться, например, вправо,
104 тогда некоторые из них, первоначально двигавшиеся влево, перейдут на свободные уровни слегка большей энергии и станут двигаться вправо. Если электрическое поле направить так, чтобы оно вынуждало электроны двигаться влево, то это заставит электроны перейти на такие уровни энергии, на которых они могут свободно двигаться влево.
Есть другая группа примесей, включающая, например, бор, алюминий и галлий; такие вещества тоже превращают кремний и германий в проводники: они отбирают часть электронов из заполненных энергетических зон, превращая заполненные зоны в «почти заполненные». Если электрическое поле отсутствует, то, как и в предыдущем случае, на каждый электрон, движущийся вправо, приходится один электрон, движущийся влево. Когда же появляется электрическое поле, некоторые из электронов, двигавшиеся раньше против направления, задаваемого полем, переходят на один или несколько свободных уровней и начинают двигаться так, как вынуждает их поле.
Если бы мы смогли наблюдать размещение электронов в такой почти заполненной энергетической зоне, мы заметили бы среди заполненных уровней несколько пустот, или дырок, где электроны, если бы они там присутствовали, могли бы двигаться, скажем, вправо (или влево). Полное математическое описание такой почти заполненной зоны показывает, что дырки ведут себя совершенно так же, как должны были бы вести себя при движении в кристалле положительные электрические заряды. Опыты подтверждают эту довольно странную математическую картину. Физическая же картина оказывается Ихменно такой, которую мы обычно связываем с движением положительных зарядов. Таким образом, существуют вполне обоснованные причины представлять себе проводимость этого типа как обусловленную дырками в почти заполненной зоне — дырками, которые действуют, как действовали бы на их месте свободные положительные заряды.
Вещества типа фосфора, сурьмы и мышьяка, которые, присутствуя в германии или кремнии, отдают электроны свободной зоне, называются примесями п-типа, или донорами, потому что они добавляют отрицательные электроны; кремний и германий, содержащие примеси
5 Дж. Пирс
105 it-типа, так и называются — кремнием я-типа и германием п-типа.
Такие вещества, как бор, алюминий и галлий, в германии и кремнии отбирают электроны из заполненных зон и, таким образом, вызывают образование дырок. Дырки ведут себя, как свободные положительные заряды. Поэтому бор, алюминий, галлий называются примесями р-типа, или акцепторами. Соответственно полупроводники германий и кремний, если они содержат примеси р-типа, называются просто германием р-типа и кремнием р-типа.
Иногда вещества-примеси, создающие проводимость р-типа или п-типа, называют легирующими добавками, а операцию введения их в кристаллы — легированием. Чем больше примеси п- или р-типа содержится в полупроводнике, тем лучше он будет проводить электричество, иначе говоря, добавление примесей п- или р-типа увеличивает проводимость, или (что то же самое) уменьшает сопротивление полупроводника.
