7.2. СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

7.2.1. Собственные полупроводники

Излучение, возникающее при рекомбинации электронов и дырок, которые появляются в результате прямого смещения на переходе, известно как инжекционная люминесценция. Свет в процессе распространения по полупроводнику рождает электронно-дырочную пару, в результате чего происходит поглощение фотона. Если же к полупроводнику приложено электрическое напряжение, электроны и дырки будут разнесены в пространстве и можно заметить изменение электрического тока, если полупроводник включен в соответствующую схему. Здесь будут описаны свойства полупроводниковых материалов, которые могут быть использованы для генерации или детектирования света.

Для собственных полупроводников характерна меньшая электрическая проводимость, чем для металлов, которая быстро увеличивается при повышении температуры. Это свойство поясняется диаграммой, показывающей разрешенные уровни энергии электронов в материале. Уровни сливаются в полосы, как показано на рис. 7.1, а. Вакуумный уровень соответствует энергии покоя электрона вне поверхности полупроводника. Самая высокая зона разрешенных уровней внутри материала — зона проводимости. Она простирается на величину от вакуумного уровня и обычно не заселена при низких температурах. Глубина этой зоны известна как сродство к электрону материала. Зона проводимости отделена энергетическим зазором от следующей зоны, которая носит название валентной зоны, и в нормальном состоянии полностью заселена.

По мере роста температуры некоторые электроны возбуждаются через запрещенную зону, создавая некоторую концентрацию свободных электронов в зоне проводимости. Соответственно в валентной зоне создается равная концентрация вакансий или дырок. Это схематически показано на рис. 7.1, б. Как свободные электроны, так и дырки движутся в материале, благодаря чему создается электрическая проводимость. Концентрация, известная как концентрация собственных носителей описывается выражением

где

— константа, характеризующая материал; постоянная Больцмана постоянная Планка эффективные массы электронов и дырок, которые могут быть значительно меньше массы покоя свободного электрона (

В первом приближении можно ожидать, что электрическая проводимость будет пропорциональна концентрации носителей, поэтому про

водимость будет пропорциональна концентрации носителей, поэтому проводимость растет экспоненциально с ростом Когда превышает 100, проводимость падает настолько, что полупроводник становится диэлектриком. Когда менее 10, материал становится полуметаллом.

На рис. 7.1, б указана энергия характеризующая материал. Это энергия Ферми. Энергия уровня соответствует -процентной вероятности заселения электронами. Разность энергий известна как работа выхода. Энергетические уровни, лежащие на несколько выше имеют ничтожную вероятность заселения, а

Рис. 7.1. Схема электронных уровней собственного полупроводника: а — собственный полупроводник при низких температурах ведет себя как диэле» трик; б - собственный полупроводник, в котором и электроны термически возбуждаются через запрещенную зону. Распределение концентрации электронов и дырок показано справа

уровни, лежащие на несколько ниже почти полностью заселены. Вероятность заселения электронного состояния с энергией описывается ферми-функцией

Когда

когда

В валентной зоне вероятность того, что энергетический уровень не заселен, т. е. на этом уровне имеется дырка.

Таблица 7.1. (см. скан) Периодическая таблица элементов

Элементы германий и кремний из группы периодической таблицы (табл. 7.1), для которых и хорошо известные полупроводники. Имеются также несколько двойных соединений элементов групп и периодической таблицы, в частности, алюминий, галлий и индий из группы III и фосфор, мышьяк и сурьма из группы Для примера можно назвать арсенид галлия GaAs и фосфид индия

Во всех этих полупроводниковых материалах преобладают ковалентные межатомные связи, а материалы имеют тетраэдальную кристаллическую структуру, подобную показанной на рис. 7.2. Почти все элементы III и V групп способны к соединению в твердом состоянии. При этом образуются более сложные тройные и четверные твердые растворы, например Индексы ли и 1 — у соответствуют долям элементов III или V групп. Условимся использовать обозначения для элементов III группы, а у и 1 — у — для элементов

Рис. 7.2. Тетраэдальиая кристаллическая структура элементов IV группы и соединений : а — кристаллическая структура алмаза, характерная для С, Si, Ge; б- кристаллическая структура цинковой обманки характерная для GaAs и других соединений книги группы. Кроме того, обозначения х и у соответствуют долям материалов с более низким атомным весом.

Каждый из этих полупроводников имеет свои характерные свойства. К ним относятся ширина запрещенной зоны подвижность электронов и дырок и постоянная кристаллической решетки

Таблица 7.2. (см. скан) Свойства полупроводников при комнатной температуре

Рис. 7.3. Диаграмма, показывающая связь постоянной решетки и ширины запрещенной зоны при изменении состава тройных соединений Штриховые линии соответствуют непрямозонным материалам

Эти и другие параметры непрерывно меняются при изменении Поэтому изучение тройных и четверных соединений, поиск полупроводников с наилучшей комбинацией свойств играет важную роль в разработке источников и детекторов. С большой вероятностью четверное соединение InGaAsP оказывается наиболее подходящим для светоизлучающих диодов и лазеров, в то время как тройное соединение InGaAs целесообразно использовать для изготовления детекторов.

Некоторые особенности полупроводников группы IV и бинарных соединений групп III—V приведены в табл. 7.2. Более подробную информацию и библиографию можно найти во втором томе книги Кейси и Паниша [7.1]. Зависимости от х и у представлены на диаграммах рис. 7.3 (тройные соединения) и рис. 7.4 (четверные соединения InGaAsP и GaAlAsSb).

Класс полупроводниковых материалов может быть расширен при использовании элементов групп II, IV и VI периодической таблицы. Однако до сих пор они не используются в системах связи ни в качестве источников, ни в качестве детекторов, поэтому в книге они не рассматриваются.