Введение в микроэлектронику

Воронежский государственный технический университет
М.И. Горлов
Введение в микроэлектронику
Краткий курс лекций для заочного ускоренного обучения
Воронеж 2007
Глава 1. Исторический обзор развития микроэлектроники.
1.1. Основные направления развития электроники.
Электроника– это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими,магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работыэлектронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых идругих), используемых для передачи, обработки и хранения информации.
Охватывая широкий круг научно-технических ипроизводственных проблем, электроника опирается на достижения в различныхобластях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другиминауками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и сдругой – снабжает их качественно новыми техническими средствами и методамиисследований.
Основными направлениями развития электроники являются:вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.
Вакуумная электроника– это раздел электроники, включающий исследованиявзаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитнымиполями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, вкоторых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследованияв области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности,
термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионови управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощьюустройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.
Основные направления развития вакуумной электроникисвязаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп(диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокойчастоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны);электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов,электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей);газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).
Твердотельная электроникарешает задачи, связанные с изучением свойствтвердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.),влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучениемсвойств поверхностей и границ  разделамежду слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методамиобластей с различными типами проводимости; созданием



гетеропереходови монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных исубмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.
Основными направлениями твердотельной электроникиявляются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкойразличных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника,связанная с разработкой интегральных схем.
Квантовая электроникаохватывает широкий круг вопросов, связанных сразработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебанийна основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направленияквантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров),квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборовквантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкийуровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения — которые  позволяют использовать их для создания высокоточныхдальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, системоптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинскойаппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы дажеминиатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.
1.2. История развития микроэлектроники.
Микроэлектроника является продолжением развитияполупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года,когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповымдля регистрации электромагнитных волн.
Дальнейшее развитие полупроводниковой электроникисвязанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученыеШокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году – плоскостного биполярного транзистора, ав 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами былиразработаны и стали широко использоваться другие различные видыполупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы,варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды,фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).
Создание транзистора явилось мощным стимулом дляразвития исследований в области физики полупроводников и технологийполупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейсяполупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые идругие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование.Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.
Следует отметить, что основные принципымикроэлектроники – групповой метод и планарная технология – были освоены приизготовлении транзисторов в конце 50 годов.
Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к1958 – 1960г.г. В 1961 – 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускатьпростейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторыенеудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочныхактивных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. ОтечественныеИС появились в 1962 – 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБВоронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторнойлогики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовленияэти схемы уступали 2 года западным разработкам.
В историческом плане можно отметить 5 этапов развитиямикроэлектроники.
Первый этап,относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграцииИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.
Второй этап,относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов,характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл иминимальным размером элементов до 2 мкм.
Третий этап,начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграцииболее 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.
Четвертый этап,характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 – 0,2 мкм.
Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров имикро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.
Контрольные вопросы:
1.Дайтеопределение электроники как науки.
2.Назовите основные направления развития электроники.
3.Назовите основные направления твердотельной электроники.
4.Охарактеризуйте пять этапов развития микроэлектроники.

Глава 2. Общие сведения о полупроводниках
Развитие твердотельной электроники тесно связано суспехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельномусопротивлению ρ полупроводники занимают промежуточное место междуметаллами и диэлектриками. Для полупроводников ρ составляет 10-5-108Ом·м, для диэлектриков 1016-1022 Ом·м, для металлов 10-8-10-6Ом·м. Температурный коэффициент сопротивления у полупроводников отрицателен,т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается.
В отличие от металлов полупроводники сильно изменяютсвои свойства от присутствия даже очень небольших концентраций примеси. Уполупроводников заметное изменение ρ наблюдается также под действиемсвета, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.
Так, например, при концентрации примесных атомов вполупроводнике около 10-4 атомных процентов его удельная проводимостьизменяется на несколько порядков.
2.1. Полупроводники и их электрофизические свойства
Полупроводники — наиболее распространенная в природе груп­па веществ. Кним относятся химические элементы: бор (В), угле­род (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк(As), селен (Se),олово (Sn), сурьма (Sb),теллур (Те), йод (I); химические соединения типа: AIBVII, AIIIBV, AIVBIV, AIBVI, AIVBVI, (GaAs, GeSi, CuO, PbSи др.); большинство при­родных химических соединений— минералов, число которых со­ставляет около 2 тыс., многие органическиевещества.
В электронике находит применение лишь ограниченное числополупроводниковых веществ. Исходные материалы, из которых изготавливаютполупроводниковые приборы, должны обладать определенными физико-химическими имеханическими свойствами.
Они должны иметь вполне определенное ρ в диапазоне рабо­чихтемператур ∆T. Такое удельное сопротивлениеможно получить при достаточно большом количестве свободных носителей заряда иих беспрепятственном движении в объеме полупроводника. Сле­довательно,необходимо твердое тело, в котором концентрация свободных носителей заряда n, их диффузионная длина Lи время жизни τ были бы достаточно большими.Этим требованиям удовлетворяют в первую очередь монокристаллы, в которых в отличиеот аморфных тел и поликристаллов обеспечивается высокая периодичность решетки.Однако не все монокристаллы обладают полупроводни­ковыми свойствами. А средиполупроводниковых кристаллов лишь немногие по своим параметрам и свойствампригодны для изготов­ления полупроводниковых приборов.

На приведенном фрагменте таблицы Периодической системы элементов Д. И.Менделеева (рис. 2.1) жирной линией обведена область, в которой расположеныэлементы, обладающие полупро­водниковыми свойствами. Слева и снизу от этойобласти расположены металлы, справа и сверху — диэлектрики.
Электропроводность твердого тела зависит от структуры внеш­нихэлектронных оболочек его атомов, определяющих месторас­положение элементов втаблице. Число справа внизу от химиче­ского символа обозначает ширинузапрещенной зоны элемента в электрон-вольтах, число в правом верхнем углу —порядковый номер элемента в таблице.
Из рис. 2.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обла­дают лишь 12химических элементов. Среди них наиболее подходящими для производстваполупроводниковых приборов ока­зались германий (Ge) и кремний (Si).
Германий встречается, главным образом, в сернистых мине­ралах,некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углемпородах. Содержание Geв земной коре всего 7·10-4%,он широко рассеян в горных породах. Для полу­проводниковых приборов необходим Ge, почти не содержащий примесей других элементов. На 108его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим кгруппе определенных «легирующих» элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In, как показанона рис. 2.1 стрелками). Поэтому производство Geпредставляетизвестную сложность.

Рис.2.1.
Кремний — наиболее распространенный (после кислорода) эле­мент, но вчистом виде он не встречается. Давно известным соеди­нением Siявляется его двуокись SiO2. Твердаяземная кора содержит 'по массе 27,6% кремния и состоит более чем на 97% изприродных силикатов, т. е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO2преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборовнеобходим также очень чистый Si. Получениечистых кристаллов кремния еще бо­лее сложно, чем кристаллов германия. Кремнийимеет высокую температуру плавления (около 1500°С) и в расплавленном состоя­нииочень высокую химическую активность. Это резко повышает технологическиетрудности получения чистых кристаллов и леги­рования их нужными примесями (вкачестве последних чаще всего используются В, Аlи Р, как показано на рис. 2.1). Поэтому чистыйкремний, как и германий, довольно дорогой элемент.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют и Geи Si, они неявляются конкурирующими элементами, так как сообщают приборам разные свойства.Например, транзисторы из германия работают до
+(100-120)°С, а из кремния до +(150-200) °С. Однако германиевые транзисторыработают при более низких температурах и обладают лучшими частотными ха­рактеристиками,чем кремниевые, так как подвижность свобод­ных носителей заряда в Geвыше.
На 2.1 указаны еще несколько элементов, обладающих полупроводниковымисвойствами. Однако большинство из них непригодно для изготовленияполупроводниковых приборов: либо они проявляют полупроводниковые свойства притемпературе меньше 20°С (Sи I) или 13°С (Sn), либотолько в виде пленок (Sbи As), они сублимируют (Iи As), хрупки(Те), легко плавятся (Sn),недостаточно изучены (В) и пр.
В электронике поэтому находит применение лишь ограниченное количествохимических элементов, обладающих полупроводнико­выми свойствами. На первомместе стоят Geи Si, используемые в качестве основы при изготовленииполупроводниковых прибо­ров. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий,алюминий используют в качестве примесей. В последние годы начинают при­менятьнекоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и др. Интересны также сплавы и соединения элементов IVгруппыпериодической системы — карбид кремния, сплав кремний — германий и др. Однакоони еще недо­статочно изучены.
Основными параметрами Geи Si, определяющими свойства изготовленных из нихприборов, являются: ρ — удельное сопро­тивление; ∆ε— шириназапрещенной зоны; n — или p-концентрации свободных носителей заряда (электронов идырок); δ — плот­ность дислокаций; L— диффузионная длина; τ — время жизни носителейзаряда. Чтобы оценить эти параметры, необходимо рас­смотреть основы физикиполупроводниковых материалов.
2.2. Структура полупроводниковых кристаллов
Кристаллическое вещество представляет собой сплошную упорядоченнуюструктуру (монокристалл) либо состоит из большого числа мелких монокристаллов,различно ориентированных в пространстве (поликристалл).
Кристаллические вещества анизотропны, т.е. их свойства зависят откристаллографического направления.
Для описания закономерности строения кристаллов необходимо заданиенаправления (прямой). Для задания направления в кристалле достаточно задатькоординаты любого атома тройкой целых чисел, заключенных в скобки (x,y,z). Если плоскость параллельна какой-либо изкоординатных осей, то индекс, соответствующей этой оси равен нулю. Основныекристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 2.2.

Рис.2.2. — Основныекристаллографические плоскости кубической решетки
Кремний и германий представляют собой кристаллы с регу­лярнойструктурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называетсятетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр —пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдраи в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянииот четырех других, находящихся в вер­шинах. А каждый атом, расположенный ввершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.
При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалахудобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 2.3).Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или простовалентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуютсявалентными электронами (на рисунке — маленькие шари­ки) при сближении атомов.Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Geи Si, при оченьнизкой температуре.

Рис.2.3.

При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получитьматериалы со строго регулярной структурой. Обычно в процессе производстваполучаются неоднородности разных ти­пов, нарушается периодичностькристаллической решетки, появляются дефекты.
Существуют разнообразные дефекты кристаллических решеток.
Нульмерные или точечные дефекты, к которым относятся например,межузельный атом или вакансия (рис. 2.4)

Рис.2.4.
Одномерные или линейные дефекты, например, цепочки межузельных атомов,цепочки вакансий, дислокации.
Двухмерные или поверхностные дефекты, например, границы кристалла,зерен (кристаллитов), т. е. места, где нарушается периодичность решетки.
Трехмерные или объемные дефекты, например, инородные включения, размерыкоторых существенно больше характерного размера решетки, ее параметра а0.Для Geпостоянная решетки а0равна 565 Å,для Si—543 Å.
К важнейшим дефектам кристаллических решеток относятся дислокации—специфические линейные дефекты, связанные с на­рушением правильногочередования плоскостей, в которых распо­лагаются группы атомов. Различаютнесколько видов дислокаций.
Дислокации могут служить центрами генерации и рекомбина­ции свободныхэлектронов, они влияют на время жизни носителей заряда.
Плотность дислокаций δ определяется как отношение общей длинылиний дислокаций к объему образца. Для изготовления полупроводниковых приборовприменяют Geи Siс плотностью дислокаций δ, не превышающей 104на 1см2, причем для разных типов приборов существует свое предельноезначение δ. Например, для сплавных транзисторов требуются Geи Siс плотностьюдисло­каций до 103-5·104 см-2, дляэпитаксиальных — до 102 см-2 и т. д.
Плотность дислокаций исходного полупроводникового мате­риала во многомопределяет электрические параметры приборов, а также разброс этих параметров отэкземпляра к экземпляру. От плотности дислокаций в материале зависит и процентгодных приборов в серийном производстве.

2.3. Свободные носители зарядов в полупроводниках
Изображенная на рис. 2.3 структура соответствует «гипотети­ческому»случаю для очень чистого полупроводникового моно­кристалла при очень низкойтемпературе. С повышением температуры происходит разрыв электронных связей(рис. 2.5), и часть электронов становится свободной, т. е. электронамипроводимости. Такой же процесс происходит в полупроводниковых и под действиемсвета. Разрыв электронных связей сопровождается не только появлением свободныхэлектронов, но и образованием «дырок» — вакансий, т. е. пустых мест в атомах,которые покинул электрон.
«Дырка» — понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Дыркаведет себя подобно частице с элементарным поло­жительным зарядом, равным зарядуэлектрона, и массой, близкой к массе электрона.

Рис.2.5.
Дырка, по­явившисьодновременно со сво­бодным электроном, переме­щается в течение некотороговремени, называемого време­нем жизни, в кристалле заме­щением вакансийсоседними электронами связи, а затем рекомбинирует с одним из сво­бодныхэлектронов (электро­ном проводимости).
В абсолютно чистом, так называемом «собственном» полупроводнике,электроны и дырки под действием тепла и света всег­да образуются парами, т.е. вравном количестве. Число их в ста­ционарном режиме определяется равновесиеммежду процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электро­нови дырок). Генерация носителей — образование пар, рекомби­нация— ихисчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скоростиравны. Электропроводность полу­проводника, обусловленная парными носителямитеплового проис­хождения, называется собственной.
Полупроводник, у которого n=p, называется собственным полупроводником илиполупроводником с собственной проводимостью Концентрации электронов niи дырок piв собственном полупроводнике одинаковы (ni=pi) изависят только от температуры, заметно возрастая с ее повышением (Индекс iздесь и далее относится к «собственным»полупроводникам, i— от английского слова intrinsic— настоящий).
Собственных полупроводников (идеальных кристаллов беско­нечнойпротяженности) в природе не существует. Реальные крис­таллы имеют конечныеразмеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда приводят параметры«собственного» полупроводникового материала, то это означает лишь, что имеетсяв виду полупроводник, у которого концентрации примесей и де­фектов нижеопределенной величины.
Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесныеполупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительноразличаются.
Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению ихсвойств. В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этомслучае она называется примесной электропроводностью. Можно контролироватьколичество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность по­лупроводниковогоматериала.
Различают примеси донорные («отдающие» электроны) и ак­цепторные(«принимающие» электроны, образующие дырки в ато­мах полупроводника).
В качестве донорных примесей используются элементы Vгруп­пы Периодической системы элементов Д. И.Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных — элементы IIIгруппы: бор, алюминий, галлий, индий и др. На рис. 2.1стрел­ками показаны примеси для Geи Si, наиболее широко используемые в промышленности.
Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из егопяти валентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомовкремния парноэлектронные или ковалентные связи. Пятый электрон оказываетсяслабо связан с ядром и при самых незначительных тепловых колебаниях решеткистановится свободным, т. е. электроном проводимости. Атом примеси при этомпревращается в положительный ион с еди­ничным зарядом. Атом, отдающий электрон,называется донором, а примесь —донорной. Образовавшиеся свободные электроныдобавляются к «собственным» свободным электронам термогенерации и увеличиваютпроводимость кристалла. Концентрация «примесных» электронов, поскольку онислабее связаны с ядром, будет значительно превышать концентрацию «собственных»электронов, а следовательно, и дырок. Полупроводники с донорной примесьюназываются полупроводниками с электронной проводимостью илиполупроводниками типа n(n— от negative—отрицательный). В полупроводнике типа nтокэлектронов значительно превышает ток дырок.
В примесном полупроводнике один тип подвижных носителей зарядапреобладает над другим, поэтому принято те носители, которые составляютбольшинство, называть основными, а те, ко­торых меньшинство, — неосновными.
Таким образом, основными носителями заряда в электронном полупроводникеявляются электроны, а неосновными — дырки, и, следовательно, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно большеконцентрации дырок nn> pn,но nnpn=ni2
Если в кремний ввести атом трехвалентного бора, то для ва­лентной связибора с четырьмя ближайшими атомами кремния необходимо четыре валентныхэлектрона, а на его верхней валент­ной оболочке их лишь три. Недостающийэлектрон отбирается из основной решетки и тогда атом бора превращается вотрицательный ион. А на месте покинувшего атом кремния элек­трона образуетсядырка. Атом, принимающий электрон, назы­вается акцептором, а примесь — акцепторной. Полупроводники с акцепторнойпримесью называются полупроводниками с дыроч­ной проводимостью илиполупроводниками типа р (р — от positive— положительный). В полупроводнике типа рдырочная элек­тропроводность значительно превосходит электронную.
Основными носителями заряда в дырочном полупроводнике являются дырки, анеосновными — электроны, и, следовательно, в полупроводнике
p-типа концентрация дырок значительно большеконцентрации электронов, pp>np, но всегда nppp=ni2.
Если в полупроводник n-типа ввестиакцепторную примесь концентрации равной концентрации носителей n-типа, то такой полупроводник называется компенсированным.
Полупроводник, у которого число носителей не менее 1020 на1см3, называется вырожденным полупроводником.
2.4. Элементы зонной теории твердого тела.
Анализ процессов, происходящих в полупроводниковых мате­риалах иполупроводниковых приборах, основывается на зонной теории твердого, тела,учитывающей различные квантовомеханические эффекты.
Твердое тело, в том числе рассматриваемые полупроводнико­выемонокристаллы, представляет собой систему, состоящую из большого числа атомов,плотность которых составляет примерно 1022 на 1 см3.Каждый атом характеризуется дискретным спект­ром энергий ε1, ε2,ε3,… ,εnразрешенных для электронов.
По представлениям квантовой механики состояние электрона в атоме характеризуетсяквантовыми числами. Электроны в атоме могут занимать только вполнеопределенные, разрешенные энергетические уровни. В нормальном (невозбужденном)состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких энер­гетическихуровнях.
Однако в соответствии с принципом Паули в одном и том же атоме (или вкакой-либо квантовой системе) не может быть двух электронов, обладающиходинаковой совокупностью квантовых чисел. Поэтому электроны в соответствии с ихсостояниями распределяются по определенным оболочкам вокруг ядра. Атом кремнияимеет 14 электронов, расположенных на трех оболочках по 2, 8 и 4 электрона.Атом германия имеет 32 электрона, распо­ложенных на четырех оболочках по 2, 8,18 и 4 электрона. Валентные электроны на последней (верхней) оболочке, имеющие набольшуюэнергию, определяют электропроводность кремния и германия.
Практическое следствие из принципа Паули при рассмотрении германия икремния заключается в том, что при объединении двух атомов происходитрасщепление каждого уровня на два, а при объединении N атомов в кристаллпроисходит расщепление каждого энергетического уровня на N уровней.
В рассматриваемом случае находящиеся на очень близком энергетическомрасстоянии отдельные уровни, образовавшиеся при объединении множества атомов Geили Siв кристалл,становятся практически неразличимы. Совокупность близко расположенныхэнергетических N уровней называется энергетической зоной.
Разрешенные энергетические зоны отделены друг от друга за­прещеннымиэнергетическими участками, которые называются запрещенными зонами. Шириназапрещенных зон зависит от рас­стояния между атомами, т.е. определяетсястроением кристалли­ческой решетки, а также строением и состоянием атомов,образу­ющих монокристалл.
Для рассмотрения физических процессов в полупроводниках иполупроводниковых приборах интерес представляют только три верхниеэнергетические зоны: валентная, запрещенная и свобод­ная, или зонапроводимости, так как именно эти зоны обусловли­вают электропроводностьполупроводника.
Электропроводность возможна лишь тогда, когда возможен переходэлектрона на другой энергетический уровень. Это озна­чает, что в проводимостимогут участвовать электроны только тех зон, где есть свободные уровни, а притемпературе абсолютного нуля они имеются лишь в самой верхней разрешенной зоне,которую называют поэтому зоной проводимости. Нижний энергетиче­скийуровень зоны проводимости обозначается εc. В зоне прово­димости находятся электроны,осуществляющие электропровод­ность кристалла.
Зона проводимости отделена от валентной запрещенной зоной,ширина которой обозначается ∆ε.
Валентная зона— зона, вкоторой все энергетические уровни заняты при температуре абсолютного нуля,поэтому электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Однако сповышением температуры электроны переходят из валентной в зону проводимости, ввалентной зоне образуются свободные уровни и появляется возможность перехода наних электронов.

Рис.2.6.
Верхний энергетическийуровень валентной зоны обозначается εv.
Электропроводность твердых тел зависит от взаимного распо­ложения зоныпроводимости и валентной зоны. Именно по характеру энергетических диаграммтвердые тела более четко разде­ляются на проводники (металлы), полупроводники идиэлектрики (изоляторы) (рис. 2.6).
В металлах зона проводимости и валентная зона перекрывают­ся, иэлектроны валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости независимоот температуры тела. В зоне проводи­мости электроны принадлежат всему твердомутелу и свободно внутри него перемещаются. Проводящее состояние является обыч­ным.В отличие от металлов при нулевой температуре у изолято­ров и полупроводниковзона проводимости пуста и электропро­водность отсутствует.
Ширина запрещенной зоны∆ε— один из важнейших пара­метров полупроводникового материала, определяющий егоэлектрические и химических свойства. На рис. 2.1 числами справа внизу указанызначения ширины запрещенной зоны ∆ε в электронвольтах. Из рисункавидно, что чем больше число оболочек в атоме, тем меньше ширина запрещеннойзоны и тем слабее связаны валентные электроны с ядром.
В отличие от металлов электропроводность полупроводника обусловленаэлектронами и дырками, т.е., кроме электронной, в полупроводнике существует идругой вид проводимости — дырочная. Переход электронов из валентной зоны в зонупроводимости приводит к образованию дырок — вакантных уровней в валентной зоне.При температуре, отличной от нуля, в зоне проводимости полупроводника всегдаимеется nэлектронов, а в валентной зоне — р дырок.
Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и образованиедырки на освободившемся энергетическом уровне — процесс генерации носителей.Но наряду с генерацией происходит и рекомбинация носителей — переходэлектронов из зоны проводи­мости обратно в валентную зону на свободный уровень.При динамическом равновесии оба процесса идут непрерывно, их скорости равны.
Если в кристалле имеются дефекты, то создаваемое ими электрическое полеможет захватить электрон, подобно тому как электрон захватывается свободнымиионами. Локализованный вблизи дефекта электрон имеет энергию, соответствующуюэнергии запрещенной зоны.
При исследовании механизма электропроводности в полупроводниках обычносчитается, что такие уровни возникают в результате присутствия примесныхатомов. Поэтому сами уровни называются примесными. Если такой уровеньрасположен вблизи зоны проводимости, то даже при небольшом повышениитемпературы электроны будут переходить в эту зону, в результате чего ониполучат возможность свободно перемещаться по кристаллу. Полупроводник, укоторого подвижные электроны возникают вследствие их перехода с примесныхуровней в зону проводимости, называют полупроводником с электропроводностью n-типаилиэлектронным


полупроводником.Уровни, поставляющие электрон в зону проводимости, называют донорными.
Если примесные уровни расположены вблизи потолка валентной зоны, то приповышении температуры электроны валентной зоны могут захватываться ими, этоприводит к образованию подвижных дырок в