Электроны и дырки в полупроводнике

Основной способностью, какую мы желаем видеть в любом материале, является способность пропускать электрический ток. Типа если кусман материала этого сделать не может, то, ну, как бы он и нафиг не нужон… Разве что сжечь его можно, чтоб согреться. А если кусок материала ещё и может управлять проходящим через него током, то ну это вообще шикарно — из этого можно всякой всячины напридумывать. Вот мы с вами изучили модель Кронига-Пенни и поняли, что в материалах есть зоны — как минимум валентная (ВЗ), проводимости (ЗП) и запрещённая (ЗЗ). Их энергии мы будем обозначать, соответственно, Ev, Ec и Eg. Также мы с вами обнаружили, что удобнее пользоваться понятием эффективной массы, особенность которой в том, что в знаменателе вторая производная от энергии по квазиволновому соотношению, вычисляемая из дисперсионного соотношения. И ровно эта мысль сейчас приведёт нас к гениальному умозаключению. Приведём ещё раз зависимость энергии от квазиволнового вектора в первой зоне Бриллюэна:

Рис. 1 «Дисперсия электронов в кристалле по модели Кронига-Пенни»
Рис. 1 «Дисперсия электронов в кристалле по модели Кронига-Пенни»

Горбик, который выпучен вверх соответствует ВЗ, а тот, что вниз — ЗП. Можно заметить, что Горбик ЗП более острый, чем ВЗ, а значит там вторая производная большая и положительная — соответственно масса маленькая и положительная. В свою очередь горбик ВЗ более широкий, значит там производная меньше и отрицательна, а значит эффективная масса больше и тоже отрицательна! Но, кхм… Эффективная масса чего? Когда электрон переходит из ВЗ в ЗП, у него в ЗП, конечно, приобретается эффективная масса, с которой он начинает путешествие по кристаллу. Но в этом случае в ВЗ осталось вакантное место, на которое с радостью придут соседние электрончики, там наоборот место начнёт путешествие по кристаллу. Так вот это место, которое там образовалось, называют дыркой. Дырка имеет положительный заряд и отрицательную эффективную массу и это абсолютно логично — электроны стремятся понизить свою энергию — опуститься вниз, тогда дырке ничего не остаётся, кроме как всплыть! Это похоже на то, как пузырёк газа в газировке всплывает, а не тонет. Также масса у дырки по модулю больше, ибо всё же её движение определяется движением целого потока электронов, а движение одного электрона, собственно, только этим электроном, а толпа всегда движется медленнее, чем один человек. Итак, электроны путешествуют по кристаллу в ЗП и стремятся утонуть, а дырки в ВЗ и стремятся всплыть — это крайне важно и скоро нам это понадобится.

Статистика электронов и дырок

Ну а пока, наверно, стоит отметить, что мы рассматриваем самый бесполезный с точки зрения применимости собственный полупроводник. В целом эта шняга нейтральна, поэтому сколько электронов ушло в ЗП, столько же дырок образовалось в ВЗ. Нам нет большого смысла говорить о концентрации дырок, т. к. она совпадает с концентрацией электронов, поэтому для собственных п/п мы будем говорить только о собственной концентрации носителей (ni). В любой точке Вселенной и даже в куске камня работает самый главный квантовый закон всех времён и народов — принцип неопределённости Гейзенберга. Работает он мало того что везде, так ещё и во всех направлениях, поэтому с чистой совестью для кристалла можем написать:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #2

Перемножив их, мы получим:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #3

dp — это суть объём в фазовом пространстве — зоне Бриллюэна, а dV — в обычном. Если положить dp = h³, то dV = 1, это значит, что в объёме зоны Бриллюэна h³ будет находится только одна квартирка, а которой могут жить два электрона с разными спинами. Тогда величина dp / h³ соответствует числу таких вот квантовых квартирок. Заполнение зоны Бриллюэна начинается, конечно, с минимальных значений квазиимпульса — с минимальных энергий. Для нахождения числа квартирок выберем в зоне Бриллюэна изоэнергетическую поверхность.

Изоэнергетическая поверхность — поверхность постоянной энергии. Если мы выберем в фазовом пространстве поверхность постоянного квазиимпульса, то по уравнению E = p² / 2m на ней будет постоянная энергия. Для собственного
п/п изоэнергетическая поверхность — сфера!
Рис. 2 «а. Закон дисперсии в ЗП, б. Изоэнергетическая поверхность в зоне Бриллюэна»
Рис. 2 «а. Закон дисперсии в ЗП, б. Изоэнергетическая поверхность в зоне Бриллюэна»

Нам надо найти объём слоя такого шарика. Сделать это можно, если мы из объёма внешнего шарика вычтем объём внутреннего шарика, но можно просто площадь поверхности домножить на dp. Так и эдак одно и то же получится, главное для получения числа состояний надо это разделить на h³:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #5

Теперь напишем выражение для энергии электрона в ЗП:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #6

Отсюда мы получаем два дополнительных полезных соотношения:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #7

Надо же, скорее подставим это в наше dN!

Электроны и дырки в полупроводнике, image #8

Интересно, что концентрацию плотности состояний можно определить через распределение плотности состояний по энергиям: dN = N(E)dE, а значит мы нашли это самое распределение:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #9

Статистика Ферми-Дирака

Дальше нам понадобится функция распределения электронов, чтобы найти концентрацию. Электроны по своему естеству есть фермионы — подчиняющиеся принципу Паули частицы с полуцелым спином. Распределение Ферми-Дирака для них получается путём применения принципа Паули к термодинамическому потенциалу Больцмана. Напишем его:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #10

По принципу Паули на одном уровне могут быть лишь два электрона, что соответствует числам заполнения 0 и 1, поэтому:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #11

Среднее число частиц в одном состоянии можно найти как производную от ТД-потенциала по химическому потенциалу (энергии Ферми), взятую с обратным знаком:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #12
Рис. 3 «Зависимость распределения Ферми-Дирака от энергии при Ef = 5 эВ»
Рис. 3 «Зависимость распределения Ферми-Дирака от энергии при Ef = 5 эВ»

Уровень Ферми в данном случае можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна ½. Часто в п/п уровень Ферми лежит внутри ЗЗ. В собственных п/п он совпадает с серединой ЗЗ. Можно сказать, что Ec — Ef > kT — такие п/п называют невырожденными. Для таких п/п можно пренебречь единицей в распределении Ферми-Дирака, благодаря чему оно перейдёт в распределение Максвелла:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #14

Тогда можно найти концентрацию электронов в ЗП:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #15

Сюда мы должны подставить уже полученное распределение состояний по энергиям и распределение Максвелла. Вы не поверите, но действительно выйдет:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #16

Где величина:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #17

Есть равновесная концентрация электронов в ЗП. По аналогии можно записать концентрацию дырок в ВЗ — там лишь mn заменится на mp и надо написать вместо Ef — Ec Ev — Ef:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #18

Но концентрации дырок и электронов равны и вместе должны составлять собственную концентрацию носителей ni — в этом заключается закон действующих масс для п/п:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #19

Таким образом:

Электроны и дырки в полупроводнике, image #20

На рис. 4 приведена зависимость собственной концентрации носителей для различных материалов в координатах Аррениуса:

Рис. 4 «Зависимость собственной концентрации от температуры в координатах Аррениуса»
Рис. 4 «Зависимость собственной концентрации от температуры в координатах Аррениуса»

Заключение

Резюмируя всё вышесказанное, мы можем теперь сказать: теперь мы знаем, сколько электронов и дырок появится, если мы начнём греть наш кусок камня. Видно, что с возрастанием температуры концентрация собственных носителей весьма сильно меняется, а значит и меняется проводимость, а это не очень хорошо хотя бы потому, что по закону Джоуля-Ленца при протекании тока наш камушек так и так нагреется, там возникнут носители, ток возрастёт, он ещё нагреется и в конце концов произойдёт тепловой пробой — нашему прибору настанет кирдык. Именно поэтому собственные полупроводники не используют в электронике, надо как-то ограничить возрастание зарядов с температурой. Для этого придумали вкачивать в полупроводники другие элементы, привносящие заряды извне «безвредно» для полупроводника — легировать. О том, как, чем и что получится при легировании, мы поговорим в следующий раз, а пока всем удачки).

904 views·1 share