Валентного электрона

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.

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

Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней оболочки атомов — внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны могут изменять свою энергию под воздействием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.

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.

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.

Если в расплав предварительно очищенного германия внести примесь пятивалентного элемента (например, мышьяка), то при остывании расплава образуется кристалл, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы мышьяка замещают атомы германия ( 1.2, а). При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия, образуют

Однако в последнем, внешнем слое, в котором находятся валентные электроны, число электронов не может быть больше восьми. Валентные электроны определяют химические и физические свойства вещества, так как легко вступают во взаимодействие с валентными электронами атомов других веществ.

связь, при которой два валентных электрона 2 ( 3.4, б), принадлежащие двум соседним атомам 1, вращаются по одной общей орбите. Кристаллическая решетка германия, условно изображенная на плоскости ( 3.4, в), дает представление о том, что все четыре валентных электрона каждого атома 4, имеющегося внутри кристалла, находятся в ковалентных связях с валентными электронами соседних атомов. Благодаря ковалентным связям атомы удерживаются в узлах кристаллической решетки.

Следовательно, электронная электропроводность обусловлена направленным движением электронов, обладающих энергией, соответствующей зоне проводимости, а дырочная электропроводность перемещением дырок, вызванным направленным последовательным заполнением дырок валентными электронами. Общая электропроводность полупроводника определяется суммой его электронной и дырочной электропроводностей.

Из 1.5, а видно, что в собственном полупроводнике— кремнии четыре валентных электрона его атома находятся в связи с четырьмя валентными электронами соседних атомов кремния, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку. При ее нарушении одновременно образуются свободный электрон и дырка ( 1.5, а), что соответствует переходу электрона из валентной зоны в свободную ( 1.5,6).

При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре из пяти его валентных электронов вступают в связь с четырьмя валентными электронами сосед-

Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и соответственно свободную валентную связь называют дыркой, которая является подвижным носителем положительного заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона. Перемещение дырки соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Движение дырки — это поочередная ионизация валентных связей.

Одним из основных параметров полупроводника является подвижность носителей заряда и. Подвижность носителей — их средняя направленная скорость в полупроводнике при напряженности электрического поля Е= 1 В/см. Подвижность электронов и„ всегда больше подвижности дырок \ip. Это объясняется большей инерционностью дырок (соответствующей инерционности валентного электрона), чем свободных электронов. Наибольшая подвижность наблюдается у электронов в арсениде галлия. Чем больше д, тем выше скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового прибора. Отсюда становится ясным преимущество высокочастотных элементов, изготовленных из электронного арсенида галлия. Отметим также, что с повышением температуры обычно наблюдается уменьшение подвижности носителей заряда.

Если кинетическая энергия валентного электрона превысит уровень максимально возможной энергии, то такой электрон может стать свободным. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом. Процесс отрыва валентных электронов от нейтральных атомов называют ионизацией газа. Для возбуждения атомов свободные электроны должны обладать некоторым минимумом энергии (энергия возбуждения). Энергию возбуждения электрон приобретает, пройдя в электрическом поле определенную разность потенциалов — потенциал возбуждения. Для ионизации атома электрон должен обладать большей энергией — энергией ионизации, которая характеризуется потенциалом ионизации. Для газов, применяемых в ионных приборах, потенциалы возбуждения и ионизации составляют — 5-25 В.

Если же атом кремния замещен- трехвалентным атомом, например атомом бора ( 6, а), то одна ковалентная связь окажется незаполненной и будет играть роль дырки: на ее место возможен переход валентного электрона соседних атомов кремния, эта дырка способна перемещаться по кристаллу, т.е. является свободным носителем заряда. Энергетический уровень вакантной, незаполненной связи расположен внизу запрещенной зоны ( 6, б) и при близкой к комнатной температуре занят электроном, в результате чего в валентной зоне имеется незанятый энергетический уровень — свободная дырка. Полупроводники, электропроводность которых обусловлена наличием дырок, называют дыроч-Ю

галлий) примеси. При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома вместе с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним» ( 2.7). Энергия связи его со своим атомом намного меньше энергии, необходимой для освобождения валентного электрона. При комнатной температуре «лишние» электроны примесных атомов становятся свободными. При этом образуются электроны проводимости и неподвижные положительные заряды — атомы примеси, потерявшие эти электроны.

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.

Под действием теплового (или иного) возбуждения электроны соседних орбит легко переходят на незаполненную орбиту, что приводит к хаотическому (или упорядоченному) движению дырок. В рассматриваемом случае для перехода валентного электрона на незаполненную соседнюю орбиту требуется примерно 0,01 эВ. Поэтому энергетический уровень дырки размещается в непосредственной близости от валент-

В полупроводниках зона энергетических уровней совокупности атомов кристалла в соответствии с принципом запрета Паули отделена от зоны энергетических уровней свободных электронов проводимости запрещенной зоной ( 18-7, в). Для перехода валентного электрона в свободный ему необходимо сообщить некоторое количество энергии. Эта энергия может быть тепловой, обусловленной нагре-

Процесс возбуждения заключается в переходе под действием соударяющего электрона одного (а иногда нескольких) валентного электрона со стационарной оболочки в атоме на нестационарные, соответствующие повышенным уровням возбуждения, один из которых схематически показан на 1-5, а в виде внешней пунктирной окруж-

Процесс ионизации заключается в освобождении одного (а иногда нескольких) валентного электрона от связей его с атомом ( 1-Г>, б). В результате ионизации атом распадается на положительный ион и свободный электрон.

Если атому извне сообщена добавочная энергия, которую воспринимает валентный электрон, то электрон переходит на более высокий энергетический уровень (уровень возбуждения), а его кинетическая энергия возрастает. Однако в состоянии возбуждения атом может находиться в течение малого промежутка времени (порядка 10~8 с), а затем он возвращается в нормальное состояние, излучая полученную им энергию в виде кванта света. Исключение представляют так называемые мета-стабильные уровни возбуждения, переход с которых возможен только при встрече с другими частицами или стенками баллона. Если кинетическая энергия валентного электрона превысит уровень максимально возможной энергии, то такой электрон может стать свободным. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом. Процесс отрыва валентных электронов от нейтральных атомов называют ионизацией газа. Для возбуждения атомов свободные электроны должны обладать некоторым минимумом энергии, которую называют энергией возбуждения. Энергию возбуждения электрон приобретает, пройдя в электрическом поле определенную разность потенциалов — потенциал возбуждения. Для ионизации атома электрон должен обладать большой энергией - энергией ионизации, которая характеризуется потенциалом ионизации. Для газов, применяемых в ионных приборах, потенциалы возбуждения и ионизации составляют 5 — 25 В.