Fizyka półprzewodników

37.3 Fizyka półprzewodników

W tym punkcie omówimy podstawowe właściwości półprzewodników oraz ich zastosowania.

Przykładowymi materiałami półprzewodnikowymi są german i krzem. Są to pierwiastki z IV grupy układu okresowego, mają po cztery elektrony walencyjne. Elektrony te biorą udział w wiązaniach atomowych z czterema innymi atomami. Pary wspólnych elektronów walencyjnych zaznaczono na rysunku 37.4 podwójnymi liniami. Ponieważ wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach więc brak jest elektronów swobodnych.

Rys. 37.4. Sieć krystaliczna krzemu

Istnieje jednak możliwość wzbudzenia, np. termicznie, elektronu walencyjnego, tak że stanie się on swobodnym elektronem przewodnictwa. Powstaje wtedy w powłoce walencyjnej puste miejsce po elektronie nazywane dziurą . Na rysunku 37.5 zaznaczono symbolicznie tę sytuację.

Rys. 37.5. Wzbudzenia elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa

W obecności zewnętrznego pola elektrycznego inny elektron walencyjny, sąsiadujący z dziurą może zająć jej miejsce, pozostawiając po sobie nową dziurę, która zostanie zapełniona przez kolejny elektron itd. Zatem dziura w polu elektrycznym przemieszcza się w kierunku przeciwnym niż elektron i zachowuje jak nośnik ładunku dodatniego (dodatni elektron). Liczba dziur jest równa liczbie elektronów przewodnictwa. Takie półprzewodniki nazywamy samoistnymi .

Domieszkowanie półprzewodników

Jeżeli w trakcie wzrostu kryształów do krzemu dodamy np. niewielką ilość arsenu lub fosforu (grupa V układu okresowego) to arsen wbudowuje się w strukturę krzemu wykorzystując cztery spośród pięciu elektronów walencyjnych. Piąty elektron walencyjny arsenu nie bierze udziału w wiązaniu i łatwo staje się elektronem przewodnictwa poprzez dostarczenie mu niewielkiej ilości energii (np. cieplnej). Dzięki temu mamy prawie tyle elektronów przewodnictwa ile jest atomów domieszki.
Zauważmy, że w tym wypadku nie powstaje dziura po oderwanym elektronie bo wszystkie wiązania atomowe są wypełnione. Oczywiście możemy tak jak w półprzewodniku samoistnym wzbudzić elektrony walencyjne krzemu i wytworzyć dziury ale pod warunkiem dostarczenia znacznie większej energii (rysunek 37.6). Taki półprzewodnik nazywany jest półprzewodnikiem typu n (negative – ujemny) bo atom domieszki oddaje elektron.

Rys. 37.6. Obsadzenie pasm w półprzewodniuk typu n

Energia E_d jonizacji domieszki jest znacznie mniejsza od przerwy energetycznej E_g. Przykładowo dla krzemu domieskowanego fosforem wynosi 0.045 eV wobec przerwy energetycznej wynoszącej 1.1 eV.

Krzem można też domieszkować pierwiastkiem z III grupy układu okresowego np. galem lub glinem. Ponieważ atom galu ma tylko trzy elektrony walencyjne to ma tendencję do wychwytywania elektronu z sąsiedniego atomu krzemu aby uzupełnić cztery wiązania kowalencyjne. Zatem atom galu wprowadza do systemu dziurę (rysunek 37.7) i mamy półprzewodnik typu p (positive - dodatni).

Energia E_a, wychwycenia elektronu z sąsiedniego atomu krzemu jest znacznie mniejsza od przerwy energetycznej E_g. Przykładowo dla krzemu domieskowanego glinem wynosi 0.067 eV wobec przerwy energetycznej wynoszącej 1.1 eV.