DSCF0763 (2)

138

4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektrony

dla uproszczenia atomy przedstawiono w jednej płaszczyźnie

Przewodnictwo elektryczne półprzewodników Charakterystyczną cechą materiałów półprzewodnikowych jest wyraźny odstęp energetyczny A W pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodzenia (rys. 2 na poprzedniej stronie). Szerokość tego odstępu dla półprzewodników nie przekracza wartości 3 eV i jest zależna od rodzaju materiału półprzewodnika. Dla krzemu wartość AW= 1 wynosi 1,2 eV, dla arsenku galu 6W - 1,43 eV.

W materiałach nieprzewodzących (izolatorach) odstęp energetyczny jest jeszcze większy niż dla arsenku galu.

W półprzewodnikach występuje odstęp energetyczny pomiędzy pasmami: walencyjnym i przewodzenia.

uproszczony schemat sieci elektronowe:

P P '

::

Rys. 1. Schemat wiązań chemicznych w krzemie

W czystych materiałach półprzewodnikowych pasmo walencyjne jest w pełni obsadzone przez elektro Liczba elektronów swobodnych w paśmie przewodzenia w półprzewodnikach zmniejsza się ze spadki temperatury. W temperaturze zera bezwzględnego (0 K) elektrony swobodne w ogóle nie występują w i śmie przewodzenia. Półprzewodnik staje się izolatorem.

Do najważniejszych materiałów półprzewodnikowych należą krzem, german i arsenek galu. Krzem ma w p włóce zewnętrznej (powłoce M) cztery elektrony walencyjne. Oznacza to cechę czterowartościowości cb micznej. Każdy elektron walencyjny każdego atomu okrąża jądro własnego atomu i jądro jednego z atornć sąsiednich (rys. 1). Zatem atomy krzemu są wzajemnie związane więzami sił elektronowych wynikającyc z istnienia wspólnych par elektronów walencyjnych.

Niewielka, wręcz śladowa domieszka materiałów obcych w sposób istotny może zmienić właściwości elektryczne półprzewodnika. W związku z tym stawiane są szczególnie ostre wymagania dotyczące czystości materiałów półprzewodnikowych. Z punktu widzenia technologicznego niedopuszczalne są zanieczyszczeni o koncentracji przekraczającej obecność więcej niż jednego atomu obcego na 10⁹ atomów półprzewodnika.

Zjawisko przewodnictwa samoistnego półprzewodników

W półprzewodnikach mogą zaistnieć warunki do migracji elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia lub odwrotnie. Przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia wymaga dostarczenia energii (cieplnej, świetlnej, elektromagnetycznej). Powrót elektronu z pasma przewodzenia do pasma walencyjnego wiąże się ze zjawiskiem odwrotnym, tzn. z emisją energii przez atom w postaci promieniowania elektromagnetycznego, fali świetlnej lub ciepła. Elektrony przeniesione do pasma przewodzenia stają się elektronami swobodnymi (rys. 2). Pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodzenia nie występują żadne pośrednie stany

energetyczne. Zatem elektron walencyjny może przebywać wyłącznie w paśmie walencyjnym lub stać sięi elektronem swobodnym w paśmie przewodzenia. W związku z tym odstęp energetyczny pomiędzy obu j® smarni nazywany jest pasmem zabronionym.

model pasmowy

pasmo przewodzenia H elektron swobodny

j promieniowanie i cieplne

\ promieniowanie \ świetlne V I

dziura • pasmo walencyjne

siatka krystaliczna

Rys. 2. Ilustracja zjawiska powstawania par ładunków elektrycznych (elektron-dziura)

Minimalna ilość energii potrzebna do przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewo<$® nia nosi nazwę energii aktywacji. Jeśli porcja energii dostarczona z zewnątrz do elektronu walencyjną® jest zbyt mała, to nie jest on w stanie pokonać bariery energetycznej wynikającej z istnienia warstwy zaO® nionej i powraca on do pasma walencyjnego, oddając zaabsorbowaną energię w postaci promieniowa® elektromagnetycznego lut fali świetlnej (rys. 2). Zjawisko migracji elektronów z pasma podstawowego (£■