Полупроводников, характерные потенциальные уровни

 

Разрешенные потенциальные уровни акцепторной и донорной примеси в полупроводниках чаще всего располагаются в ЗЗ. Потенциальные уровни донора располагаются ближе к зоне проводимости. Потенциальные уровни акцепторных примесей располагаются ближе к ВЗ. Поэтому для того, чтобы перейти электрону с уровней донора в зону проводимости, требуется совсем небольшая энергия (рис. 1.11,а) и при комнатной температуре практически все электроны донорной примеси переходят в ЗП, пополняя ее свободными носителями. Для р-полупроводника электроны из валентной зоны переходят на уровни акцепторной примеси (рис. 1.11,в), пополняя ВЗ дополнительными дырками. В собственном полупроводнике (рис. 1.11,б) электрону, чтобы попасть в зону проводимости, приходится преодолевать значительно больший потенциальный барьер (j_з), поэтому в собственном полупроводнике электронов в ЗП и дырок в ВЗ значительно меньше, чем у примесных полупроводников, что объясняет их значительно меньшую проводимость.

 

 

а б в

 

Рис. 1.11

 

Зонная диаграмма полупроводникового материала имеет характерные потенциальные уровни. Это потенциал, характеризующий ширину запрещенной зоны – j_з; величина этого потенциала для полупроводников составляет примерно 0,5–3 В. Так, для кремния = 1,11 В, а для германия = 0,76 В. Эта ширина постоянна для выбранного материала, только при постоянной температуре. С изменением температуры ширина ЗЗ меняется, а именно

,

 

где Т – температура в градусах Кельвина; – ширина ЗЗ при нулевой температуре; – температурная чувствительность (В/°С).

Самый высокий энергетический уровень валентной зоны j_v носит название энергетического уровня крыши валентной зоны, самый низкий уровень зоны проводимости j_с – энергетического уровня дна зоны проводимости. называется уровнем электростатического потенциала, он проходит всегда по середине запрещенной зоны. Одна из основных величин полупроводниковой физики – температурный потенциал j_Т может быть найден из равенства выражений энергии движущейся частицы принятой в термодинамике и электротехнике. Энергия элементарных процессов в термодинамике находится как k×T, где k – постоянная Больцмана (1,37×10^-23 Дж/°С); T –температура в градусах Кельвина.

В электротехнике энергия может быть найдена как , где – заряд электрона; j – разность потенциалов, которая обозначается как j_Т. Тогда , отсюда температурный потенциал . При комнатной температуре (Т = 293 °К) j_Т » 0,025 В.

Не менее важным в физике полупроводников является потенциал уровня Ферми (j_F). Этот потенциал характеризует среднюю энергию всех возбужденных атомов внутри кристалла, как бы неоднороден не был этот кристалл. Более подробно об уровне Ферми будет рассказано в последующих лекциях.