Свойства полупроводника можно проиллюстрировать зонной моделью (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Зонная модель полупроводника
В полупроводнике, как и в диэлектрике, между незаполненной зоной проводимости и полностью заполненной валентной зоной имеется запрещенная зона. Однако она относительно узка (меньше 2 эВ). При определенном, достаточно небольшом энергетическом возбуждении (тепловом или под влиянием электрического поля) некоторые электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости. При этом в валентной зоне появятся вакантные уровни. Атом, у которого электрон перешел в зону проводимости, превращается в положительный нон. Недостающий электрон у такого атома может быть восполнен соседним атомом, который в свою очередь становятся положительным ионом, при этом положительный ион как бы перемещается в объеме валентной зоны. Такой подвижный положительный ион называется дыркой. Электрический ток в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, причем дырочный и электронный токи равны, так как освобождение одного электрона вызывает одновременно возникновение одной дырки. Полупроводник с такими свойствами называется собственным.
На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, имеется определенная симметрия структуры: любой атом полупроводника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Аналогичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось, некоторые электроны могут при комнатной температуре переходить из валентной зоны в зону проводимости.
Рис. 1.7. Плоские модели (а и б) кристаллической решетки собственно полупроводника
Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основном электропроводности, нарушена структура кристаллической решетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвижных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобственном полупроводнике эти токи не равны, поскольку не одинакова концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобственных (примесных) полупроводников: полупроводники типа n и типа р.
В полупроводнике типа n преобладает электронный ток. Нарушения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), примесей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего на внешней оболочке на один валентный электрон больше, чем германий и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один электрон, который может легко перейти в зону проводимости и участвовать в прохождении тока как донорный или неосновной носитель.
В кристаллической решетке сохраняется ион с положительным зарядом. Следует подчеркнуть, что этот положительный ион в полупроводнике типа n неподвижный, а следовательно, не участвует в протекании тока в отличие от дырок, возникающих при собственной проводимости. В зонной модели полупроводника типа n (рис. 1.8, б) введение донорной примеси вызывает возникновение дополнительного энергетического уровня между зоной проводимости и валентной зоной.
Рис. 1.8. Плоская (а) и зонная (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа n
Разность энергий между дополнительным уровнем и зоной проводимости настолько мала (для кремниевого полупроводника она составляет около 0,05 эВ), что электрон может легко перейти с этого дополнительного уровня в зону проводимости. Положительный ион, образовавшийся при отрыве электрона от атома примеси, остается фиксированным. Очевидно, что в полупроводнике типа n имеются также дырки, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем электронов, возникающих в основном за счет введения примеси. Дырки, существующие в полупроводнике типа n, называются неосновными, а электроны — основными носителями.
В полупроводнике типа р в качестве примесей — акцепторов используются атомы элементов, имеющие на внешней оболочке на один электрон меньше, чем кремний и германий, например индий. В кристаллической решетке (рис. 1.9, а) вблизи такого атома в одном из узлов отсутствует одни электрон и возникает дырка, которая заполняется электроном соседнего атома. В результате атом становится неподвижным отрицательным ионом, а дырка может перемещаться далее. Таким образом, в полупроводнике типа р носителями являются подвижные дырки, в то время как отрицательные ионы не принимают участия в прохождении тока.
В зонной модели полупроводника типа р (рис. 1.9, б) введение акцепторной примеси вызывает появление дополнительного энергетического уровня вблизи валентной зоны. Отрицательные ионы остаются неподвижными в узлах решетки.
Рис. 1.9. Плоская (а) и зоновая (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа р
Для полупроводника типа р характерна проводимость на основе движения дырок как основных носителей в валентной зоне. Очевидно, что в полупроводнике типа р имеются также электроны, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем дырок, образующихся за счет введения примесей. Существующие в полупроводнике типа р электроны называются неосновными, а дырки — основными носителями заряда.
