Ввиду отсутствия свободных электронов в зоне проводимости кварц
является диэлектриком (см. табл.6).
До сих пор рассматривались беспримесные и бездефектные
полупроводники. В реальных же условиях невозможно соблюсти
абсолютную чистоту вещества, в нем всегда имеются инородные примеси и
дефекты структуры. Установлено, что для полупроводников чрезвычайно
велико влияние даже малейших количеств примеси на их электрофизические
79
свойства. Это влияние особенно сильно, если примесью является атом с
иной, чем основной элемент, валентностью. Рассмотрим этот вопрос
подробнее.
Пусть в кристаллическую решетку типичного полупроводника кремния
Si
попадает атом элемента с более высокой валентностью, предположим,
фосфора
P
–
реальный и практически важный случай. Кремний, как известно,
имеет четыре валентных электрона на орбиталях
3
s
2
3
p
2
, они гибридизованы
по
s
р
3
-
типу. У фосфора, основная электронная конфигурация которого
3
s
2
3
p
3
, максимальное число валентных электронов в возбужденном
состоянии – пять. Когда атом фосфора замещает в кристаллической решетке
один атом кремния, имеющий координационное число четыре, атом фосфора
поставляет для образования химической связи с соседями четыре из пяти
своих валентных электронов. Пятый электрон в образовании связи не
участвует, следовательно, валентным он не является и располагается вне
валентной зоны. Этот “лишний” электрон слабо связан с атомом фосфора,
потенциальная энергия его выше, чем у валентных электронов. Сравнительно
небольшими внешними воздействиями он может быть оторван от атома
примеси и передан соседнему атому кремния. Наложение электрического
поля приведет к передвижению электрона по кристаллу, так этот электрон
становится носителем заряда. В терминах зонной теории это означает, что
электрон перешел в зону проводимости.
Поскольку энергия, необходимая
для такого перехода меньше, чем ширина
запрещенной зоны, то исходное состояние
этого
слабосвязанного
электрона
примесного атома попадает на зонной
диаграмме
в
запрещенную
зону.
Состояние электронов примесных атомов
данного типа изображается на зонной
диаграмме в виде некоторого уровня в
запрещенной зоне, получившего название
донорного уровня, (рис.55). Такое
название связано с тем, что примесные
атомы в данном случае отдают электроны решетке полупроводника и служат,
таким образом, донорами электронов, обеспечивая тем самым проводимость
n
-
типа.
Состояние избыточного для данной решетки электрона, удерживаемого
возле донорного атома может быть описано уравнением. Э. Шредингера для
одноэлектронной системы, подобной атому водорода.
С другой стороны, в кристалле полупроводника могут оказаться
примеси элемента с более низкой валентностью, то есть с меньшим
количеством валентных электронов. Если в решетке кремния один из атомов
замещен атомом бора
B (2
s
2
2
p
1
)
, то в данном месте кристаллической
|