Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
падать по экспоненциальному закону, который считается характерным для
полупроводников. Аналогичные соображения применимы и к случаю
полупроводника р-типа. Рост сопротивления примесных полупроводников с
температурой в области невысоких температур приводил в свое время к
немалой путанице в вопросе о классификации веществ, которая была по-
настоящему преодолена лишь после широких исследований на германии,
начатых в 1940 г. Ларк-Горови-цем [4] и его сотрудниками в Университете в
Пардью. Эти работы показали, что рост сопротивления с температурой еще не
может считаться доказательством того, что данное вещество не является
полупроводником. А ведь именно такая температурная зависимость
сопротивления заставила многих сомневаться в том, является ли кремний
полупроводником. В кремнии ширина запрещенной зоны настолько велика
(порядка 1,2 эВ), что для достижения заметной собственной проводимости
необходимы довольно высокие температуры (обычно выше 500 °С).
Если ширина запрещенной зоны еще больше, например несколько электрон-
вольт, то температура, при которой могла бы наблюдаться заметная
собственная проводимость, настолько высока, что
/. Простейшие свойства полупроводников
37
она заведомо лежит выше точки плавления кристалла. Такие вещества следует
считать диэлектриками. Однако, чтобы вещество могло считаться хорошим
диэлектриком, требуется еще и отсутствие примесных уровней, расположенных
вблизи краев валентной зоны или зоны проводимости.
1.4. Способы управления концентрацией носителей
Наиболее характерное различие между металлами и полупроводниками состоит
в том, что в металлах концентрация носителей заряда велика и неизменна,
тогда как в полупроводниках она меньше и ее величина изменяема.
Изменчивость этой характеристики в случае полупроводников наводит на
мысль о возможности управлять числом носителей заряда, а значит, и
электропроводностью. Одним из способов осуществления такого управления
является дозировка содержания примеси в полупроводнике. Однако
концентрацию носителей заряда в данном материале можно по желанию
варьировать и при фиксированном содержании примесей. Одним из
замечательных свойств полупроводников является наличие эффекта
фотопроводимости. Эго явление легко понять с помощью зонной модели. При
поглощении кванта света, энергия которого достаточна для перевода
электрона из состояния у потолка валентной зоны в зону проводимости, в
обеих зонах появляются добавочные -носители заряда и проводимость
кристалла растет (см. разд. 10.9). Может иметь место также
фотопроводимость, связанная с фотоионизацией примесных атомов, однако
этот эффект менее значителен сравнительно с упомянутым выше, в связи с
тем, что концентрация примесей обычно во много раз меньше концентрации
валентных электронов и, кроме того, примесные уровни заполнены лишь при
низких температурах (см., однакр, разд. 10.7). Вместе с тем оказалось,
что концентрации электронов и дырок в полупроводниках можно изменять и
иными способами. Во-первых, путем инжекции носителей заряда в кристалл,
например с помощью металлических электродов, и, во-вторых, при
определенных условиях путем экстракции (удаления) носителей из кристалла
электрическим полем.
Именно на этой возможности управления концентрацией носителей заряда
основаны весьма важные технические применения полупроводников.
Как правило, в полупроводниках, используемых для практических целей,
всегда преобладает тот или иной тип примесных уровней. Когда преобладает
донорная примесь и ее концентрация значительно больше собственной
концентрации носителей, тогда /ф>р. В обычных условиях (см. разд. 4.3)
концентрации электронов
38
t. Простейшие свойства полупроводников
и дырок, даже при наличии примесей, по-прежнему связаны уравнением типа
(1.2), причем произведение рп не зависит от концентрации примесей.
Поэтому
pn = n*i, (1.6)
где 1Ц - собственная концентрация носителей заряда при данной
температуре, т. е. концентрация носителей в идеально чистом веществе.
Равенство (1.6) следует из (1.2), если для собственного полупроводника
положить n=p=rii. Итак, при n^>nt всегда p^nt. В случае п>р электроны
называют основными носителями, а дырки - неосновными; в случае обратного
неравенства основными носителями считают дырки, а неосновными -
электроны. Таким образом, за исключением случая почти собственного
полупроводника, концентрация основных носителей заряда всегда значительно
превосходит концентрацию неосновных. Тем не менее во многих электронных
процессах, весьма важных с точки зрения полупроводниковой техники,
решающую роль играют именно неосновные носители, концентрацией которых
значительно легче управлять из-за ее малости.
В заключение приведем численный пример для иллюстрации относительного
вклада различных механизмов электропроводности. В чистом германии
собственная концентрация rii электронов или дырок при комнатной
температуре представляет собой величину порядка 2,5* 1013 см-3. Заметим,
