Электронно дырочный переход это

Типы проводимости полупроводников

Из-за нарушения ковалентных связей происходит образование свободных электронов и мест их отсутствия – дырок, возле атомов от которых оторвались электроны.

Образование пары электрон – дырка при нарушении ковалентной связи.

Дырка ведёт себя как электрон, только с положительным зарядом, совершая хаотичные движения в течении некоторого времени, называемого временем жизни носителей заряда, а после рекомбинирует с одним из свободных электронов. Среднее расстояние, которое проходит электрон или дырка за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (электрона L_n или дырки L_p). В полупроводнике свободные электроны совершая переходы от одной дырки к другой, создавая впечатление, что одна и таже дырка перемещается от атома к атому. Однако это свободные электроны движутся в направлении противоположном образовании дырок. В связи с этим в полупроводниках выделяют два типа проводимости носителей зарядов: электронная и дырочная.

В однородных полупроводниках (собственный полупроводник) основной причиной образования пар электронов и дырок является нагрев, то есть термогенерация. Количество генерируемых пар носителей заряда равно количеству рекомбинированных пар. Величина, характеризующая число носителей заряда в единице объёма, называется удельной электрической проводимостью (для электронов — n_i, для дырок — p_i). Проводимость полупроводника в результате термогенерации электронно-дырочной пары называется собственной проводимостью.

Кроме собственной проводимости существует, так называемая дефектная проводимость, которая обусловлена наличием дефекта кристаллической решётки: избыток одного из компонентов вещества (например кислорода в окиси меди Cu₂O) либо смещение узлов решётки.

Ещё одним типом проводимости, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, нарушающих структуру решетки, является примесная проводимость. Атомы примеси, в кристаллических решётках полупроводников, замещают основные атомы в узлах решётки. Так при введении в кремний атомов фосфора, четыре его электрона связываются с четырьмя электронами кремния, а пятый электрон фосфора оказывается слабо связан с ядром атома и делается свободным. В результате атом фосфора приобретает единичный положительный заряд. Свободные электроны примесных атомов добавляются к электронам порождённым термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника делается преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n-типа, а примеси называются донорными, кроме фосфора донорными примесями являются сурьма, мышьяк и другие пятивалентные атомы.

Донорная примесь в решётке кремния (образуется свободный электрон).

Другой тип проводимости, обусловленный примесями, появляется при введении трёхвалентных атомов, например, бора, алюминия, галия, индия. Так как данные атомы имеют по три электрона, а кремний или германий – по четыре, то в результате замещения ими в узлах кристаллической решётки появляется необходимость в дополнительном электроне. Данный электрон берётся из основной решётки, следовательно, в том месте откуда пришел электрон образуется дырка, которая добавляется к термогенерированным дыркам. Такие полупроводники называются дырочными или p-типа, а примеси называются – акцепторными.

Акцепторная примесь в решётке кремния (образуется свободная дырка).

Так как в полупроводниках с примесями один из носителей зарядов преобладает над другим, то те носители, которых большинство, называются основными, а те, которых меньшинство – неосновными. В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.

Контакт электронного и дырочного полупроводника (p-n переход)

Если полупроводник в одной своей части обладает электронной, а в другой – дырочной электропродностью, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или (p-n) переходом.

Модели полупроводника с электронной и дырочной электропроводностью представлены на рисунке 8, где показана полупроводниковая пластина. Каждая часть пластины до контактирования электрически нейтральна, так как существует равновесие свободных и связанных зарядов. Концентрация свободных электронов в n-области больше, чем в p-области, а дырок в p-области больше, чем в n-области. В приграничной области возникает диффузионное поле E_д(рисунок 8, а), которое будет препятствовать дальнейшему перемещению зарядов. При отсутствии внешнего электрического поля образуется запирающий слой.

Если к такой системе приложить внешнее электрическое поле Е, напряжение которого совпадает с диффузионным электрическим полем E_д, то переход будет «заперт» и ток не будет протекать (рисунок 8, б).

Рисунок 8 – Принцип действия полупроводникового выпрямителя: а – идеальный переход в отсутствие внешнего напряжения; б – реальный переход заперт; в – через переход проходит прямой ток большой величины

При изменении полярности приложенного электрического поля Е оно будет направлено противоположно диффузионному электрическому полю E_д.

При этом переход будет насыщаться носителями зарядов, он «открывается» и через него будет протекать «прямой» ток (рисунок 8, в).

Приложение напряжения к диоду с p-n переходом

Полупроводниковый диод — это пластина полупроводника (кремний или германий), одна сторона которой с электропроводностью р-типа, а другая с проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины диода нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов.

Приложим к диоду, содержащему p-n переход, напряжение (смещение U от внешнего источника). В этом случае если анод источника «+» соединен с p-областью диода, а катод источника «-» с n-областью, то речь идет о прямом смещении (U > 0). В противоположном случае — это обратное смещение (U < 0).

В электрической цепи с внешним источником диод содержит три соединенных последовательно области: p-область, объемный заряд (барьер), n-область. Так как потенциальный барьер препятствует движению основных носителей, и притом их средняя тепловая энергия kT << Фpn, область объемного заряда практически полностью обеднена свободными носителями тока (электронами и дырками). Данная область обладает наибольшим электрическим сопротивлением и практически все приложенное напряжение U в ней падает.

Рассмотрим случай прямого (а) и обратного (б) смещения:

При прямом смещении (а) поле от внешнего источника направлено навстречу полю, создаваемому объемным зарядом. Следовательно, напряжение U вычитается из барьерной разности потенциалов Upn = Фpn ⁄ e, существовавшей до приложения внешнего смещения. В результате разность потенциалов на барьере становится равной (Upn — U), а высота энергетического барьера:

e(Upn — U) = Фpn — eU.

Уменьшение высоты энергетического барьера приводит к увеличению концентрации основных носителей, преодолевающих барьер. Концентрация электронов за барьером теперь равна: n1 = n0 exp и увеличилась в n1 ⁄ n = exp(eU ⁄ kT) раз. Во столько же раз увеличится и создаваемый ими электронный диффузионный ток:

In1 = exp(eU ⁄ kT).

На ток неосновных носителей (ток насыщения) прямое смещение (так же как и обратное) влияния не оказывает. Ток электронов из p-области в n-область по-прежнему равен Ins и течет навстречу диффузионному току.

Таким образом, электронная компонента прямого тока In будет равна:

In = In1 — Ins = Ins.

Дырочная компонента прямого тока:

Ip = Ip1 — Ips.

Полный ток через p-n переход равен сумме электронной и дырочной компонент:

I = In — Ip = (Ins + Ips) = Is.

При обратном смещении (б) происходит увеличение высоты потенциального барьера. Так как при этом принято предложенное напряжение U считать отрицательным, то соотношение e(Upn — U) = Фpn — eU остается в силе, так же как и последующие рассуждения. Поэтому формула I = Is
описывает не только прямую, но и обратную ветви вольт амперную-характеристику диода (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

ВАХ

Продолжение линейного участка ВАХ до пересечения с осью U дает значение напряжения отсечки Uотс, которое можно принять за оценку барьерной разности потенциалов Upn ≈ Uотс. Значение Upn совпадает с числовым значением высоты потенциального барьера Фpn, выраженном в электрон-вольтах.

Обратная ветвь ВАХ также отличается от теоретической Iобр = Is для IUI >> kT. В этой области сопротивление электронно дырочного перехода быстро увеличивается и даже превышает сопротивление изоляции диода. Поэтому возникает ток утечки, который течет не через p-n переход, а через постоянное сопротивление изоляции. Этой ситуации соответствует линейный участок обратной ветви, пересечение которого с осью тока I дает оценку тока насыщения Is.

Для оценки ширины электронно дырочного перехода можно использовать формулу: d ≈ √((2εε0Uотс) ⁄ end), где nd — концентрация атомов донорной примеси в полупроводнике n-типа, ε — диэлектрическая проницаемость материала полупроводника.

Структура полупроводников

Полупроводники на молекулярном уровне представляют собой кристаллическую структуру типа алмаза или тетраэдрическая решётку. Такая решётка характерна для кремния, германия и других четырёхвалентных элементов. Данная структура представляет собой тетраэдр, в углах и в центре расположены атомы вещества. Характерной особенностью такой решётки является равенство расстояний между центральным атомом и угловыми. Каждый угловой атом в свою очередь является центральным для других четырёх атомов. Такая совокупность тетраэдров образуют ячейку кубической формы с размером решётки около 0,5 нм. Данная величина называется постоянной решётки.

Структура кристаллической решётки полупроводника (кремния Si).

Слева: тетраэдрическая решётка, справа: совокупность тетраэдров в ячейке.

Для упрощения в дальнейшем будем рассматривать плоский эквивалент тетраэдрической структуры, в котором отражена особенность алмазной решётки – одинаковое расстояние между атомами полупроводника.

Особенностью кристаллической решётки полупроводника заключается в том, что связь между атомами является ковалентной. При данном типе межатомной связи, электроны двух соседних атомов образуют общую электронную пару, то есть по очереди примыкают, то к одному, то к другому атому. Однако следует сказать, что абсолютная кристаллическая решётка и ковалентная связь всех атомов полупроводника между собой, возможна лишь при температуре абсолютного нуля. При повышении температуры межатомная связь начинает нарушаться за счёт увеличения энергии и тепловых колебаний атомов в решётке.

Вольт амперная характеристика P-N перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) P-N перехода представляет собой график зависимости тока через переход от напряжения, приложенного к нему. ВАХ позволяет оценить, как P-N переход ведет себя при различных режимах работы: прямом смещении и обратном смещении.

Прямое смещение (Forward Bias)

В начале графика, при нулевом напряжении (или низком напряжении), ток через P-N переход близок к нулю. Это происходит из-за барьера потенциала на P-N границе, который препятствует движению основных носителей заряда через переход.
При увеличении напряжения в области прямого смещения (напряжение становится положительным на аноде и отрицательным на катоде), барьер потенциала уменьшается, и ток начинает расти. Эта область называется «областью насыщения».
Далее, при дальнейшем увеличении напряжения, ток растет более линейно, и это соответствует «линейной области».
В конечном итоге, при высоких напряжениях, ток почти перестает расти, и ВАХ становится горизонтальной. В этой области P-N переход ведет себя как проводник с низким сопротивлением.

Обратное смещение (Reverse Bias)

При обратном смещении (когда катод подключен к положительному напряжению, а анод к отрицательному), ток через P-N переход обычно остается очень низким (почти нулевым) при нулевом напряжении и начинает медленно увеличиваться при дальнейшем увеличении обратного напряжения.
Обратное смещение создает барьер потенциала, который затрудняет движение основных носителей заряда в обратном направлении. Таким образом, при обратном смещении P-N переход остается непроводящим или проводит лишь очень небольшой ток утечки.

Следует отметить, что характеристики ВАХ могут различаться в зависимости от различных параметров P-N перехода. Эти параметры включают такие факторы, как типы материалов, концентрацию примесей и размеры перехода. ВАХ P-N перехода имеет решающее значение для понимания его работы в различных режимах и для использования его в электронных устройствах, таких как выпрямители, транзисторы и диоды.

Термоэлектрические явления в полупроводниках

К термоэлектрическим явлениям, то есть к явлениям, связанным со взаимным превращением тепловой энергии и энергии электрического поля в проводниках и полупроводниках, относятся три эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.

Эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников, места соединения которых находятся при различных температурах ∆T≠0, возникает электрический ток, который называется термоэлектрическим. На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов U_т, которая носит название термоЭДС. Величина этой разности потенциалов характеризуется коэффициентом α.

(6)

где, α – коэффициент термоЭДС, который зависит от материалов термопары и интервала температур.

Рисунок 5 – Принципиальная схема последовательно соединенных спаев

Эффект Пельтье: при прохождении тока через контакт двух последовательно соединенных разнородных полупроводников место соединения нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока.

Количество теплоты:

(7)

где П – коэффициент Пельтье;

I – величина тока, протекающего через контакт; t – время прохождения тока;

Томсон установил связь: α = П/Т.

Эффект Томсона: при прохождении тока через полупроводник, вдоль которого есть градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество тепла.

Теплота Томсона:

(8)

где τ − коэффициент Томсона.

Между всеми термоэлектрическими явлениями существует связь.

(9)

Терморезистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Терморезисторы:

кобальто-марганцевые;
медно-марганцевые;
медно-кобальто-марганцевые.

Варистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля. В качестве материалов для изготовления варисторов используют карбид кремния, селен.

Е_КР – критическая напряженность электрического поля: минимальная напряженность, при которой начинается сильная зависимость концентрации и подвижности свободных носителей зарядов от Е. Закон Френкеля:

Рисунок 6 – Зависимость электропроводности полупроводника от напряженности приложенного напряжения: (участок 1–2) выполнение закона Ома; (участок 2–3) увеличение концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего электрического поля.

(10)

(11)

Гальваномагнитный эффект Холла. Если пластину полупроводника, вдоль которой течёт электрический ток I, поместить в магнитное поле B, направленное перпендикулярно направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле Е, направленное перпендикулярно току и магнитному полю.

Рисунок 7 – Схема возникновения ЭДС Холла U_Х

(12)

Для полупроводника n-типа:

(13)

Для полупроводника p-типа:

(14)

Для собственного полупроводника:

(15)

Ионизированные примеси: влияние на проводимость

Полупроводники часто содержат примеси — ионизированные атомы или молекулы, которые заменяют атомы или молекулы полупроводника в его кристаллической решетке. Эти ионизированные примеси могут значительно влиять на проводимость полупроводника.

Ионизированные примеси в полупроводниках создают неравновесные заряженные состояния, которые называются донорными или акцепторными уровнями, в зависимости от того, имеют ли они больше или меньше электронов по сравнению с атомами полупроводника.

Донорные уровни образуются, когда ионизированные примеси имеют больше электронов. Эти электроны могут выходить из донорных уровней в проводимую зону полупроводника и участвовать в электрической проводимости.

Акцепторные уровни формируются, когда ионизированные примеси имеют меньше электронов. В этом случае электроны из проводимой зоны полупроводника могут переходить на акцепторные уровни, создавая «дырки» в проводимой зоне. Дырки также могут участвовать в электрической проводимости.

Ионизированные примеси могут внести значительные изменения в проводимость полупроводника. Например, добавление донорных примесей может увеличить количественное и качественное количество электронов в полупроводнике, что приведет к увеличению его проводимости. С другой стороны, добавление акцепторных примесей может создать дополнительные дырки в проводимой зоне, что также приведет к увеличению проводимости.

Таким образом, ионизированные примеси играют важную роль в определении проводимости полупроводников и используются в различных приложениях, включая полупроводниковые приборы и технологии, такие как транзисторы и диоды.

Фотоносы: механизм генерации и их использование

Фотоносами называются основные носители заряда, которые возникают в полупроводниках в результате поглощения световой энергии. Механизм генерации фотоносов основан на явлении фотоэффекта – вырывании электрона из атома или молекулы под воздействием фотонов света.

При поглощении фотонов света полупроводником происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара электрон-дырка. Электрон возникает в зоне проводимости и становится свободным носителем заряда, а дырка – валентной зоне, где также может перемещаться, являясь положительно заряженным носителем. Таким образом, фотоносы представляют собой пары электрон-дырка, возникающие в полупроводнике под воздействием света.

Фотоносы играют важную роль в фотоэлектрических процессах и имеют широкое применение в различных устройствах. Одним из основных способов использования фотоносов является возбуждение фотоэлектрического эффекта. При попадании светового излучения на полупроводник фотоносы генерируются и могут быть захвачены электродами, создавая электрический ток. Такой эффект широко используется в солнечных батареях для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Фотоносы также играют важную роль в рентгеновской технике и фотоэлементах, используемых в фотокамерах и других устройствах для регистрации света. При попадании фотонов света на фоточувствительную поверхность фотоносы генерируются и создают электрический сигнал, который может быть далее обработан и использован для получения изображения.

Таким образом, фотоносы представляют собой основные носители заряда в полупроводниках, которые возникают в результате поглощения световой энергии. Они играют важную роль в различных устройствах, где используется преобразование световой энергии в электрическую.

Распределение носителей заряда в полупроводниках

При нулевой температуре все электроны находятся в валентной зоне, а при повышении температуры некоторые электроны начинают переходить в зону проводимости, на следующий энергетический уровень. Вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне определяется по следующему выражению

где W – энергия данного уровня, Дж,

k – постоянная Больцмана, k = 1,38 · 10−23Дж/К,

Т – абсолютная температура,

W_F – энергия, соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которого при Т ≠ 0 К равна 1/2 и называемая уровнем Ферми.

Распределение Ферми – Дирака.

При Т = 0 К кривая вероятности изменяется ступенчато и для всех энергетических уровней, ниже уровня Ферми (W < W_F), выражение F_n(W) = 1, то есть валентная зона заполнена полностью. Для энергетических уровней выше уровня Ферми (W > W_F), выражение F_n(W) = 0, в зоне проводимости электроны отсутствуют.

При Т ≠ 0 К кривая вероятности имеет плавный вид симметричный уровень Ферми.

Распределение Ферми – Дирака также справедливо и для полупроводников с донорными и акцепторными примесями, но уровень Ферми в сторону дна или потолка зоны.

Распределение Ферми – Дирак для полупроводников в примесями:

с донорной – слева, с акцепторной – справа.

В полупроводниках n–типа смещение уровня Ферми происходит ближе к зоне проводимости, а для полупроводников р–типа – ближе к валентной зоне. Влияние температуры на уровень Ферми в примесных полупроводниках также существенно: при росте температуры в полупроводнике n-типа, чем выше температура, тем ниже уровень Ферми, а в полупроводнике р–типа, чем выше температура, тем выше уровень Ферми.

3.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВVI

К соединениям этого типа относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Но окислы этих металлов сюда не входят.

С ростом атомной массы во всех этих рядах уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда.

Из всех соединений типа АIIВVI по масштабам применения выделяют сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, второй широко используется для изготовления фоторезисторов.

Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, испльзуют пленки и спеченные порошкообразные соли селенида кадмия CdSe.

Узкозонные полупроводники типа АIIВVI представляют интерес для создания приемников ИК-излучения. Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Монокристаллы этих соединений используют в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электрическим пучком.

Легирование полупроводников

Легирование — добавление примесей для увеличения проводимости чистых полупроводников. При этом применяются два типа примесей:

Пятивалентные примеси	Трехвалентные примеси

1) Атомы кремния. 2) Пятивалентный примесный атом (донор). 3) Ковалентные связи. 4) Свободный электрон. При легировании полупроводника пятивалентным атом фосфора (P) вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. В данном случае атом фосфора называется донором, так как он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике n-типа являются основными носителями (имеют отрицательный заряд), а дырки — неосновными.	1) Атомы кремния. 2) Ковалентные связи. 3) Трехвалентный примесный атом (акцептор). 4) Дырка. При легировании полупроводника трехвалентным атомом индия (In) три валентных электрона разместятся среди трех соседних атомов. Это создает в ковалентной связи дырку. Наличие дырок позволяет электронам дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. В данном случае In — акцептор, так как дырки принимают электроны. Дырки в таком полупроводнике p-типа являются основными носителями (имеют положительный заряд), а электроны — неосновными.

Полупроводники p типа

В полупроводнике, который содержит акцепторную примесь, электроны довольно легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. В такой ситуации в валентной зоне появляются свободные дырки. Число дырок в данном случае существенно больше, чем свободных электронов, которые образовались при переходе из валентной зоны в зону проводимости. В данной ситуации дырки — основные носители заряда, электроны — неосновные. Проводимость полупроводника, который включает акцепторную примесь, носит дырочный характер, сам проводник при этом называется дырочным (акцепторным) или полупроводником p-типа (positive — положительный). Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа приведена на рис.2.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Основные носители заряда в полупроводниках

В полупроводниковых материалах основными носителями заряда являются электроны и дырки.

Электроны — это отрицательно заряженные элементарные частицы, находящиеся в валентной зоне полупроводника. Они свободны для передвижения при наличии определенной энергии. Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости под воздействием внешнего воздействия, такого как тепловое возбуждение или действующее электрическое поле.

Дырки — это положительно заряженные «элементарные частицы», представляющие собой отсутствие электрона в валентной зоне. Возникают дырки при возбуждении электронов, которые освобождаются от своих мест в валентной зоне и переходят в зону проводимости. Таким образом, дырка может рассматриваться как положительно заряженный «эквивалентный» электрон, перемещающийся в противоположном направлении.

В полупроводниках количество электронов совпадает с количеством дырок, что обеспечивает электронейтральность материала.

Важно отметить, что в типичном полупроводнике электронная проводимость преобладает над дырочной проводимостью. Это связано с тем, что энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, обычно меньше, чем энергия, необходимая для образования дырки в валентной зоне

Однако, в некоторых полупроводниках, таких как p-типа полупроводников, дырочная проводимость может быть более значительной.

Понимание основных носителей заряда в полупроводниках является важным для понимания их электрических свойств и процессов, происходящих в полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы и диоды.

Структура

Химические вещества могут быть в трех основных фазах: твердой, жидкой и газообразной. Когда молекулы находятся в твердой фазе, они не могут двигаться, кроме своего среднего положения, что называется тепловым движением. Молекул в жидкой и газообразной фазах могут свободно перемещаться. Некоторые вещества имеют кристаллические структуры, в которых атомы объединены в определенную решетку, которая сохраняется на протяжении всего объема кристалла.

Электрическая проводимость твердых веществ необходима для производства многих электронных устройств. Эта способность зависит от способности материала производить свободные электроны. Структура кристаллических решеток веществ, таких как германий и кремний, напоминает структуру алмаза. Кремний и германий имеют хорошие диэлектрические свойства благодаря своей кристаллической решетке и сильной связи электронов.

Модель кристалла германия

Модель кристаллической структуры германия представляет собой описание, как атомы германия организованы в кристалле. Германий образует кристаллическую решетку, которая может быть описана следующим образом:

Брусчатая кристаллическая решетка: Германий обычно образует брусчатую (или кубическую) кристаллическую решетку. В этой решетке каждый атом германия находится в угловых точках кубической ячейки и в центре куба.
Координация атомов: Каждый атом германия имеет четыре ближайших соседа. Это означает, что каждый атом германия связан с четырьмя соседними атомами других германиевых атомов.
Ордер (порядок): Благодаря регулярному упорядочению атомов в кристаллической решетке, германий имеет хорошо определенную структуру.
Кристаллическая система: Брусчатая кристаллическая решетка германия относится к кристаллической системе типа «кактус» (cubic).
Тетраэдральные углы: Атомы германия в кристаллической решетке образуют тетраэдры вокруг каждого атома. Это также важная черта структуры германия.

Состояния вещества

Рассмотрим более подробно различные фазы вещества и их связь с электронными свойствами твердых материалов:

Твердая фаза: В твердой фазе атомы или молекулы вещества плотно упакованы и находятся в фиксированных положениях в кристаллической решетке. Они могут только совершать колебания около своего равновесного положения. Эти колебания интерпретируются как тепловое движение, и оно влияет на теплоемкость твердых материалов.
Жидкая фаза: В жидкой фазе атомы или молекулы вещества более подвижны, чем в твердой фазе. Они могут свободно двигаться друг относительно друга, сохраняя близкие контакты. Это обеспечивает текучесть жидкостей. В этой фазе тепловое движение более интенсивное.
Газообразная фаза: В газообразной фазе молекулы вещества обладают большой энергией и практически не связаны друг с другом. Они свободно двигаются и занимают все доступное пространство. В газах тепловое движение доминирует.

Связь между фазами вещества и его электронными свойствами заключается в том, как атомы или молекулы взаимодействуют между собой в каждой фазе:

В твердых материалах кристаллическая решетка ограничивает движение электронов, и это может влиять на их проводимость. Многие полупроводники, такие как кремний, образуют кристаллические структуры, где электроны могут свободно передвигаться при предоставлении энергии.
В жидких и газообразных фазах молекулы более свободно двигаются, и электроны могут легко перемещаться, обеспечивая проводимость.

Зонная структура полупроводников

Для того чтобы твердое тело обладало проводимостью в зоне проводимости должны быть свободные электроны, однако при температуре абсолютного нуля в свободной зоне они отсутствуют, а валентная зона заполнена полностью. При росте температуры некоторые электроны начинают обладать энергией способной перевести их в зону проводимости, а через некоторое время (время жизни носителя заряда) электрон переходит в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинацией электрона и дырки.

При введении в полупроводник примесей в запрещённой зоне возникают дополнительные разрешённые уровни, причем при акцепторной примеси такой уровень возникает вблизи нижней половины запрещённой зоны W_a, а при донорной примеси в верхней половине W_d.

Структурные зоны полупроводников.

Таким образом, при внесении примесей в полупроводник энергии для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется меньше на величину энергии активации доноров ΔW_и_d и энергии активации акцепторов ΔW_иа. Кроме того, из-за роста основных носителей заряда удельная электрическая проводимость полупроводника с примесью выше, чем больше концентрация акцепторных (N_a) и донорных (N_d) примесей.

Полупроводник, у которого концентрация доноров N_d и примесей N_a одинакова, называется скомпенсированным полупроводником. Такой полупроводник имеет такую же удельную проводимость, как и собственный, но отличается от него временем жизни носителей зарядов и другими параметрами.