Электроны называются

Ранее отмечалось, что при температуре абсолютного нуля все электроны находятся в валентной зоне. Объясним это явление с помо1цью функции Ферми—Дирака для Т = 0.

Наглядное представление об эффекте Ганна дает вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость напряжения U, приложенного к кристаллу, от протекающего через него тока / ( 5.12). При отсутствии внешнего напряжения, т. е. в невозбужденном состоянии, электроны находятся в нижней зоне, где они обладают повышенной подвижностью. При увеличении напряжения возрастают подвижность электронов и ток через кристалл. Этому процессу соответствует участок АБ ( 5.12) вольт-амперной характеристики. •

Если свободные электроны находятся сравнительно близко от примесных ионов, то микрообъем полупроводника в целом остается электрически нейтральным. При уходе же этих электронов в соседние области оставшиеся ионы

Электропроводность металлов -обусловлена наличием свободных электронов, находящихся в непрерывном тепловом движении между атомами и положительными ионами металла. Внутри металла свободные электроны окружены со всех сторон положительными ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, поэтому силы притяжения свободных электронов положительными ионами значительно меньше сил их теплового движения. Вследствие этого в диапазоне обычных для поверхности нашей планеты температур свободные электроны находятся в хаотическом движении внутри металла. Сумма результирующих сил fpe3 близка к нулю ( 1.1). Однако на электроны, находящиеся у поверхности металла, действуют электрические поля ионов в направлении к металлу, вызывая силы Ft, препятствую-

практически все свободные электроны находятся вблизи дна зоны проводимости.

При наличии усилителей с весьма большими коэффициентами усиления необходимо принимать во внимание так называемый тепловой шум сопротивлений цепи и дробовой эффект в лампах. В проводниках электроны находятся в тепловом хаотическом движении. Существует некоторая вероятность, что на фоне общего хаотического движения определенное число электронов в тот или иной момент времени будет иметь направленное в одну сторону движе-

При легировании предварительно очищенного германия примесью пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, образуют систему ковалентных связей ( 3.3 а), пятый же электрон оказывается избыточным. Уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси, и переходят в зону проводимости. Таким образом, в узлах кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются неподвижные положительно заряженные ионы, а в объеме кристалла перемещаются избыточные электроны, имеющие энергию зоны проводимости. Если освободившиеся электроны находятся вблизи своих ионов, то микрообъем в целом остается электронейтральным. При уходе электронов из микрообъема в нем образуется положительный объемный заряд. Число электронов в кристалле при внесении пятивалентной примеси превышает число дырок, концентрация которых при внесении примеси не изменилась, и по-прежнему определяется собственной электропроводностью полупроводника. Такой полупроводник обладает в основном электронной электропроводностью, или электропроводностью n-типа (полупроводник n-типа). Примесь, способную отдавать электроны, называют донорной. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Закон распределения носителей заряда в зонах полупроводника. Уровень Ферми. В собственном полупроводнике при температуре О К все электроны находятся в валентной зоне. При повышении температуры часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Определить вероятность нахождения электрона (или дырки) на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно с помощью распределения Ферми — Дирака:

При движении вокруг ядра электроны образуют ряд так называемых слоев, или оболочек. В каждом слое может находиться строго определенное число электронов и каждый электрон в атоме имеет постоянное значение энергии — как принято говорить, электроны находятся на определенных уровнях энергии. Такое состояние атома называется стационарным. Состояния же, соответствующие состояниям электронов, находящихся в промежутках

электроны находятся в центральной долине, тока при этом / = qno[L\E, что соответствует участку / ВАХ кристалла полупроводника ( 8.1). При сильных электрических полях (?^>?ш)Р) можно предположить, что практически все электроны приобретут добавочную энергию, большую АЭ], и окажутся в боковой долине. В этом случае tiz~no и /= дпоЦгЕ, что соответствует участку 3 ВАХ ( 8.1). При средних напряженно- ° стях электрического поля, лишь немного превышающих пороговую напряженность, плотность тока определяется соотношением концентрации «легких» и «тяжелых» электронов (участок 2 ВАХ на 8.1).

Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводимости очень короткое время 10~3 — 10~7 с. При отсутствии внешнего электрического поля они хаотически перемещаются в междуатомных промежутках. Когда к кристаллу приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности.

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донор-ной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников и-типа свободные электроны называются

При получении дополнительной энергии (например, при повышении температуры, освещении, приложении электрического поля и т. д.) электроны внешней оболочки теряют жесткую связь с определенным 'атомом и начинают свободно перемещаться в объеме. Такие электроны называются свободными носителями заряда. Свободная зона, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости. Зона,, ближайшая к зоне проводимости, называется валентной. При температуре абсолютного нуля она полностью заполнена. При изменении температуры происходит обмен между валентной зоной и зоной проводимости. Все существенные процессы в полупроводниковых приборах можно изучить, рассматривая только две соседние зоны: валентную и зону проводимости.

На электропроводность полупроводника существенное влияние оказывает наличие в нем атомов различных примесей. При добавлении в полупроводник, относящийся к IV группе периодической системы элементов Д.И.Менделеева, элементов Vгруппы образуются валентные связи между атомами примеси и четырьмя атомами полупроводника. При этом пятый валентный электрон примеси оказывается избыточным и значительно слабее связанным со своим атомом, чем остальные четыре. При сообщении кристаллу небольшого количества дополнительной энергии (значительно меньшей, чем ширина запрещенной зоны AW) избыточный электрон переходит в зону проводимости и становится свободным. При увеличении содержания атомов примеси возрастает число электронов в зоне проводимости, а число дырок при этом не меняется. При значительном увеличении концентрации электронов по сравнению с концентрацией дырок ток в основном переносится электронами. В этом случае электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными или донорами.

Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются электроны, называются электронными или полупроводниками «-типа (от лати-нского слова negative— отрицательный, что соответствует знаку заряда электрона).

При добавлении в полупроводник примесей, относящихся к III группе периодической системы элементов (например, галлия), в кристаллической решетке полупроводника атом примеси образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь остается вакантной. При сообщении кристаллу небольшой дополнительной энергии эта вакантная связь может быть заполнена электроном, перешедшим с одной из соседних заполненных валентных связей. В результате в той связи, откуда ушел электрон, нарушается нейтральность и образуется положительный заряд — дырка. При увеличении примесей возрастает концентрация дырок и они становятся основными носителями, а электроны — неосновными. Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называются акцепторными или акцепторами. Полупроводники, в которых .основными носителями заряда являются дырки, называются дырочными или полупроводниками р-типа (от латинского positive — положительный, что соответствует знаку заряда дырки). Процесс образования пары электрон — дырка называется генерацией.

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донор-ной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников n-типа свободные электроны называются

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донор-ной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников и-типа свободные электроны называются

2. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Проводники — это вещества, которые обладают высокой электропроводностью. Они делятся на два класса. К проводникам первого класса относятся металлы и их сплавы, в которых отдельные электроны при своем круговом движении могут перемещаться со своих орбит и, потеряв связь с ядром, свободно вращаться в межатомном пространстве всего объема проводника. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны отличаются большой подвижностью и находятся в состоянии беспорядочного (теплового) движения. Положительно заряженные ионы металла, составляющие остов кристаллической решетки проводника, обладают малой

ся свободным. При комнатной температуре практически все электроны фосфора, не образующие ковалентных связей с атомами кремния, становятся свободными и участвуют в электрической проводимости. Атом фосфора, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Свободные электроны примеси добавляются к собственным электронам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Примеси, вызывающие в полупроводнике преобладание числа электронов над числом дырок, т. е. обусловливающие преимущественно электронную проводимость, называются донорными («отдающими» электроны). По отношению к германию и кремнию донорами помимо фосфора могут быть сурьма, мышьяк и некоторые другие элементы пятой группы таблицы Менделеева. Таким образом, в кремнии с примесью фосфора число свободных электронов всегда превышает число дырок и электрическая проводимость осуществляется за счет движения свободных электронов. В этих условиях электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Полупроводники, у которых основными носителями заряда являются электроны, называются полупроводниками типа п.

Ионные приборы отличаются от электронных тем, что в их работе используются как свободные электроны, так и ионы газа. При небольших напряжениях между катодом и вькодным электродом -- анодом ток в приборе в основном определяется движением свободных электронов к аноду. Свободные электроны между катодом и анодом образуются вследствие ионизации газа и вторичной эмиссии из катода под действием различных внешних факторов. Эти электроны называются первичными.

Примеси, отдающие электроны называются донорными. При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей ( 2.8). При перебросе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом с присоединенным лишним электроном образует в кристаллической решетке неподвижный отрицательный заряд; кроме того, образуется дырка, способная перемещаться по решетке.