Валентных электронов

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником л-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный" электрон - знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь —акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

Германий и кремний имеют четыре валентных электрона (валентными называются электроны, находящиеся на внешней орбите).

В зависимости от рода примеси в полупроводнике преобладает одна из проводимостей — электронная или дырочная. Допустим, что в кристалл германия или кремния внедрен примесный атом с избыточным по сравнению с основным веществом валентным электроном, например атом пятивалентного мышьяка или сурьмы. Примесный атом займет в узле кристаллической решетки место атома основного вещества, и его четыре валентных электрона будут связаны с валентными электронами вещества. Пятый валентный электрон примесного атома окажется свободным: он будет относительно свободно перемещаться в кристалле

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с фундаментальным положением физики, называемым принципом запрета Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для связи с четырьмя соседними атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом получается, что любой атом кремния связан, с каждым соседним атомом общей орбитой, причем на этой орбите два электрона. Такая связь атомов называется парно-электронной или ковалентной связью.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь - донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный' электрон - знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь -акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон — знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь —акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

В нашем примере ( 1.1, б) один из атомов кремния замещен атомом сурьмы. Четыре валентных электрона сурьмы образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, пятый же электрон остается на своей круговой орбите. Для освобождения этого электрона достаточно подвести извне незначительную энергию порядка 0,05 эВ (доя германия 0,01 эВ), поскольку сила электростатического притяжения его к атому сурьмы резко снижается из-за влияния атомов исходного вещества. Примесный атом при этом становится положительно заряженным ионом. Это означает, что при температурах выше 200 К все освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности, а примесные атомы ионизируются. Избыток свободных электронов обусловливает электронную проводимость (проводимость и-типа) данного полупроводникового материала. Примеси, определяющие этот вид электропроводности, называются донорами,

В нашем примере ( 1.1, в) один из атомов кремния замещен атомом бора. Поскольку на его внешней орбите имеется всего три валентных электрона, то в кристаллической решетке остается одна незаполненная связь (дырка). Ее может заполнить пришедший извне электрон, и в этом случае примесный атом бора станет отрицательно заряженным ионом.

В электронной структуре идеального кристалла кремния из IV группы периодической системы элементов Менделеева каждый из четырех валентных электронов любого атома образует связанную пару (валентная связь) с такими же валентными электронами четырех соседних атомов. Если на атомы кремния не действуют внешние источники энергии (свет, теплота), способные нарушить его электронную структуру, то все атомы электрически нейтральны. Такой идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток.

На второй стадии происходит образование на поверхности более твердого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощенно—это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах образования дефектов. Для активирования поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площаь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные очаги схватывания, происходит коллективизация валентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи между контактирующими поверхностями.

В первом случае атомы легирующей примеси имеют большее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Такую примесь называют донорной. Вследствие введения донорной примеси после образования химических связей примесного атома с окружающими его атомами полупроводника один валентный электрон оказывается «лишним», т. е. не участвует в химических связях. Поэтому достаточно лишь небольшой энергии ED ( 3, б), чтобы «оторвать» от примесного атома и сделать «свободным» этот валентный электрон, т. е. перевести его в зону проводимости. При этом образуется нескомпенсированный положительный заряд, который отличается от положительно заряженной дырки, способной перемещаться по кристаллу, тем, что остается неподвижным в кристаллической решетке. Легирование полупроводника донорной примесью увеличивает концентрацию электронов в зоне проводимости при неизменной концентрации дырок в валентной зоне. При этом электропроводность осуществляется в основном электронами, находящимися в зоне проводимости. Такие полупроводники называют электронными, или полупроводниками п-типа электропроводности.

Во втором случае атомы вводимой примеси имеют меньшее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Поэтому атомам примеси не хватает валентных электронов для образования всех химических связей с окружающими их атомами полупроводника. Недостающие электроны могут быть захвачены атомами примеси у соседних атомов полупроводника, для чего необходима небольшая энергия ЕА ( 3, в). При этом атомы примеси приобретают отрицательный заряд, а в валентной зоне на месте захваченного электрона образуется дырка. Введение в полупроводник таких примесей, называемых акцепторными, приводит к воз]эастанию концентрации дырок в валентной зоне при неизменной концентрации электронов в зоне проводимости. Полупроводники, легированные акцепторной примесью, называют дырочными, или полупроводниками р-типа электропроводности.

Рассмотрим межэлектронное взаимодействие, называемое L — S-связью, характерное для атомов (ионов) с небольшим числом валентных электронов. Энергетическое состояние атома (иона) обозначают fiLj, где ji =• 2 5 + 1 — мультиплетность, S— квантовое число, которое может принимать значения в пределах между максимальным и минимальным значениями суммы 2 s,. Аналогично, квантовое число L может принимать значения, отличающиеся на единицу в пределах между максимальным и минимальным значениями 2/г. Состояние атома или иона обозначают прописными буквами латинского алфавита 5, Р, D, F..., которым соответствуют значения L --- О, 1, 2, 3... Квантовое число J может принимать значения L + S, L + -4- S— 1,..., L — S\. Таким образом, многоэлектронный атом (ион) имеет сложную систему энергетических уровней, между которыми возможны переходы, если соблюдаются правила отбора: AL --• ± 1 и AJ = 0; ДУ - ±1.

чтобы свободные носители могли приобрести энергию, достаточную для выбивания дополнительных валентных электронов из атомной решетки полупроводника, которые в свою очередь генерируют свободные носители и т. д. Напряжение пробоя определяется обычно концентрацией носителей на более слаболегированной стороне перехода. На 1.5 представлена зависимость •напряжения лавинного пробоя от концентрации носителей, причем принято, что на слаболегированной стороне перехода примесь распределена равномерно.- Для напряжения пробоя приблизительно выполняется соот-•ношение

При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для Рис- 4-6- УстР°йство Ф°т°-

Физические свойства полупроводника в значительной степени зависят от концентрации в нем носителей заряда при данной температуре. При рассмотрении этого вопроса необходимо помнить, что общее число электронов в изолированном объеме полупроводника является строго постоянным и равным совокупности валентных электронов всех атомов. Эти электроны перераспределяются по зонам в зависимости от температуры.

При приложении напряжения в обратном направлении возрастают перекрытие зон и вероятность туннельного перехода из р-в л-область, а вероятность перехода из п- в р-область практически падает до нуля. Обратный ток /0бР возрастает вследствие туннельного перехода валентных электронов р-области на свободные уровни зоны проводимости «-области. Процессу нарастания обратного тока соответствует участок / вольт-амперной характеристики ( 5.25).

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с фундаментальным положением физики, называемым принципом запрета Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для связи с четырьмя соседними атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом получается, что любой атом кремния связан, с каждым соседним атомом общей орбитой, причем на этой орбите два электрона. Такая связь атомов называется парно-электронной или ковалентной связью.

Появление свободных уровней в валентной зоне свидетельствует о том, что для валентных электронов появляется возможность изменять свою энергию (т. е. переходить с одного разрешенного уровня валентной зоны на другой), а следовательно, участвовать в процессе протекания тока через полупроводник. С повышением температуры возникает большее число свободных электронов в зоне проводимости и вакантных уровней в валентной зоне. Заметим, что этот процесс проходит интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.