Теоретические сведения. Основной особенностью, отличающей полупроводник от металла

Основной особенностью, отличающей полупроводник от металла, является наличие в спектре энергии электронов запрещенного промежутка, разделяющего зону связанных электронов и зону электронов проводимости. Поэтому в полупроводнике возможны два типа проводимости: электронная и дырочная, в зависимости от того, являются ли носителями тока электроны в зоне проводимости или дырки в заполненной зоне, образующиеся в результате переходов на вышележащие энергетические уровни. Проводимость полупроводника, в котором единственным источником электронов в зоне проводимости является заполненная зона, называется «собственными».

Наличие в объеме полупроводника каких - либо примесей ведет к возникновению локальных энергетических уровней, лежащих обычно в запрещенной зоне. Характер и концентрация этих примесей часто определяет не только величину, но и тип электропроводности материала. Примеси, атомы которых отдают свои электроны в зону проводимости, называются «донорными», примеси, отбирающие электроны из валентной зоны, - «акцепторными». В первом случае проводимость носит электронный характер, во втором - дырочный.

Носители заряда, представленные, в большинстве, называются основными, а представленные в меньшинстве – не основными. Таким образом, в электронном полупроводнике основными носителями являются электроны, не основными – дырки; в дырочном – наоборот.

Равновесные концентрации электронов и дырок, соответствующие данной температуре, устанавливаются в результате уравнивания скорости двух процессов: теплового возбуждения, т.е. переходов на более высокие энергетические уровни (рис.1, стрелки, направленные вверх) и рекомбинации, т.е. обратных переходов (стрелки, направленные вниз).

Рис.1. Переход электронов в зону проводимости или на акцепторные уровни и рекомбинации

Эти скорости определяются шириной запрещенной зоны , концентрации и энергетическим положением донорных и акцепторных примесей (соответственно на рис.1). Таким образом, при каждой температуре, в данном полупроводнике существует определенная равновесная концентрация электронов и дырок .

Концентрация электронов и дырок в полупроводнике можно сделать больше их равновесных значений путем введения в объем полупроводника дополнительных носителей. Если, например, осветить полупроводник, то концентрация носителей заряда в нем увеличится, и это состояние сохранятся в течение некоторого промежутка времени. Тот же эффект наблюдается‚ при прохождении тока через полупроводник, различные части которого имеют разные типы проводимости, а также при ударной ионизации электронов в сильных электрических полях. Во всех случаях в объеме кристалла появляются дополнительные неосновные носители: дырки в случае электронного и электроны - в случае дырочного материала.

Механизм образования дополнительных носителей сводятся в первом случае к созданию возможности дополнительных переходов электронов валентной зоны в зону проводимости под действием света, во втором случае - к введению их из одного слоя полупроводника в другой в результате протекания электрического тока. Это явление увеличения концентрации неосновных носителей заряда по сравнению с ее равновесным значением получила название инжекции неосновных носителей заряда. Явление инжекции электронов и дырок лежит в основе действия полупроводниковых диодов и транзисторов.

Так как в однородном полупроводнике объемный заряд должен быть равным нулю, то избыточная концентрация неосновных носителей заряда влечет за собой появление избыточной концентрации основных носителей, заряд которых компенсирует заряд противоположного знака неосновных носителей. Такая возможность имеется в полупроводниках благодаря наличию в них носителей зарядов двух знаков.

Возникновение избытка носителей заряда в объеме кристалла ведет к увеличению скорости рекомбинации пар «электрон-дырка», поэтому отклонение от равновесного состояния с течением времени исчезает.

Время, в течение которого сохраняется неравновесное состояние, оказалось величиной, меняющейся в очень широких пределах в различных кристаллах. Это позволяет заключить, что рекомбинация электронов и дырок происходит не непосредственно в результате их соударения, а на различного рода нарушениях идеальной кристаллической решетки, которые могут служить ловушками для электронов или для дырок, увеличивающими вероятность рекомбинации. Такими нарушениями могут являться примеси, механические нарушения решетки, и в частности, сама поверхность кристалла. Они ведут к возникновению положительно или отрицательно заряженных локальных уровней.

Общая схема рекомбинации на такой «ловушке» может быть представлена следующим образом. Пусть в кристалле имеется дефект, могущий захватить электрон. Если затем дырка оказывается в пределах эффективного сечения центра, захватившего уже электрон, то дырка захватывается заряженным дефектом и рекомбинирует с электроном. Вероятность рекомбинации носителей на таких ловушках определяется концентрацией последних, их природой, т. е. величиной эффективного сечения захвата и их состоянием в условиях термического равновесия. Качественной характеристикой скорости рекомбинации электронов и дырок служит величина, называемая «временем жизни» носителей заряда и определяемая следующим образом.

Если избыточная концентрация электронов (или, соответственно, концентрация дырок ) мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то скорость уменьшения концентрации оказывается пропорциональной избыточной концентрации :

, (1)

где - время жизни; есть, следовательно, вероятность рекомбинации электрона (или, соответственно, дырки).

Интегрирование уравнения (1) дает:

, (2)

где - концентрация в момент времени .

Таким образом, время жизни есть величина времени, через которое концентрация неравновесных носителей уменьшается в = 2,718… раз.