Совершенно однородная структура (рис. 1-3) быв.ает у кристалла лишь при температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника часть валентных связей нарушается под действием тепловых колебаний атомов в решетке. В корпускулярной интерпретации носителями энергии механических колебаний атомов являются фононы - акустические аналоги световых фотонов . Поэтому можно сказать, что при нагреве кристалла валентные связи нарушаются фононами, число и энергия которых растут с температурой.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест - дырок вблизи

тех атомов, от которых оторвались электроны (рис. 1-4). Такая дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Она, так же как и электрон, совершает хаотическое движение в течение некоторого времени после своего появления [времени жизни), а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов. На рис. 1-5 показана схема движения дырки в решетке кремния как результат последовательного замещения ее электронами, принадлежащими разным атомам: исходная дырка в атоме / замещается одним из электронов атома и переходит к атому ; затем дырка в атоме замещается одним из электронов атома VI и перехо-, дит к атому VI и т. д. Создается впечатление, что одна и та же дырка непрерывно движется по пути /- -VI-X-VII- /, тогда как на самом деле совершаются дискретные переходы электронов в обратном направлении: -/, VI-II, X-VI и т. д.

Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда - электроны и дырки.

При нагревании абсолютно чистого и однородного полупроводника [собственный полупроводник) свободные электроны и дырки всегда образуются парами, как следует из рис. 1-4. Число этих

Рис. 1-3. Плоский эквивалент тетраэдрической решетки с валентными связями атомов.

1 Тепловые колебания решетки и соответственно фононы делятся на два типа: акустические (низкочастотные) и оптические (высокочастотные). Первые являются результатом синфазных, а вторые - противофазных колебаний атомов в Элементарной ячейке.

пар в стационарном режиме определяется равновесием между процессами термогенерации и рекомбинации носителей Проводимость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собственной.

Проводимость, обусловленную наличием примесных атомов, нарушающих структуру кристаллической решетки, называют примесной. Заметим, что слово примесь не всегда следует понимать буквально. В ряде случаев такие же последствия, как наличие примесных атомов, могут вызывать различные дефекты решетки: избыток одного из основных компонентов вещества (например, кислорода в закиси меди), смещение некоторых узлов решетки и др. Поэтому более точен общий термин - дефектная проводимость.

Атомы примеси могут по-раз-ному располагаться в решетке соб- ственкого полупроводника. В крем- -чЛЛсвободный. НИИ и германии примесные атомы wow . электрон обычно замещают часть основных Дырка атомов в узлах решетки. Результаты такого замещения зависят от типа примеси.

Если ввести в кремний атом

пятивалентного фосфора, то четыре , . г-,

Рис. 1-4. Процесс образования

ИЗ его валентных электронов всту- ар, электрон - дырка в ре-пят в связь с четырьмя электрона- шетке под действием фонона ми соседних атомов кремния (рис. (или фотона).

1-6, а) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром, легко отрывается фононами и делается свободным. При этом примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам, порожденным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника делается преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или типа п. Примеси, обусловливающие электронную проводимость, называются донорными ( отдающими электроны). Донорами по отношению к кремнию и германию, помимо фосфора, : могут быть сурьма, мышьяк и некоторые другие элементы.

Однако если ввести в кремний атом трехвалентного бора, результат будет иным. Для валентной связи бора с четырьмя соседними атомами кремния требуется по-прежнему образование устойчивой восьмиэлектронной оболочки, т. е. нужен дополнительный

* Этот термин не следует путать с более общим термином электроники полупроводник , подразумевающим отсутствие движения ионов (см. § 1-1).

электрон. Этот электрон отбирается из основной решетки (рис. 1-6, б) и, будучи связанным, превращает атом бора в неподвижный отрицательный ион. На том месте, откуда пришел электрон, образуется свободная дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. Такие полупроводники (с преимущественно дырочной проводимостью) называются дырочными или типа р, а соответствующие примеси - акцепторными ( принимающими электроны). Помимо бора акцепторами по отношению к кремнию и германию служат алюминий, галлий., индий и некоторые другие элементы.

Дырка..

й\С8сбодный.

Ц \ злектрон

Рис. 1-5. Схема движения свободной дырки в кристаллической решетке.

Отрыв лишнего электрона от донора и недостающего электрона для акцептора требует затраты некоторой энергии (энергия ионизации или активации примеси). Эта энергия зависит от типа и концентрации примеси, а также от диэлектрической проницаемости основного материала, которая влияет на силу электрического притяжения между электроном и атомным остатком 15]. При нулевой температуре (Г = О К) ионизация не может имегь места; с ростом температуры все большая часть примесных атомов ионизируется фононами. В кремнии и германии при комнатной температуре примесные атомы HI и V групп ионизированы практически полностью.