Моделирование зонной структуры полупроводников. Бормонтов Е.Н - 27 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

27
В кристалле с такой зонной структурой внешнее поле не может создать
электрический ток, так как электроны в заполненной зоне не могут
изменить свою энергию. Следовательно , вещество представляет собой
диэлектрик. Типичным диэлектриком является ионный кристалл NaCl.
Положительные ионы натрия Na
+
имеют электронную конфигурацию
(ls
2
2s
2
2p
2
), а отрицательные ионы хлора Cl
–
– (1s
2
2s
2
2p
2
3s
2
3p
6
). Зоны ,
образующиеся из полностью заполненных атомных уровней тоже
оказываются полностью заполненными . Последней заполненной зоной
является зона Зр С l
–
, а следующей за ней свободной зоной – зона 3s Na
+
.
Энергетическая щель между этими зонами составляет около 9 эВ .
Если ширина запрещенной зоны меньше 2–3 эВ , то кристалл
называют полупроводником. В полупроводниках за счет тепловой энергии
kТ заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную
зону, называемую зоной проводимости. При очень низких температурах
любой полупроводник становится хорошим диэлектриком.
Таким образом, между металлами и диэлектриками существует
качественное различие, а между диэлектриками и полупроводниками –
только количественное. Значения ширины запрещенной зоны для
некоторых диэлектриков и полупроводников приведены в таблице 1.
Таблица 1. Ширина запрещенной зоны некоторых кристаллов
Кристалл E
g
, эВ
Кристалл E
g
, эВ
С (алмаз)
BN
А 1
2
O
3
Si
5,2
4,6
7,0
1,11
Ge
GaAs
InSb
Sn (серое)
0,66
1,43
0,17
0,08
В заключение отметим, что электронная структура атомов,
образующих твердое тело, не единственный фактор, обусловливающий
различие в заполнении зон. На примере NaCl мы видели , что важную роль
играет природа химической связи . Характер заполнения энергетических
зон зависит также и от структуры кристалла. Так , например, углерод в
структуре алмаза – диэлектрик, а углерод в структуре графита обладает
металлическими свойствами . 
                                      27
В кри ст алле с т акой зонной ст рукт урой внеш нее поле не мож ет создат ь
э лект ри чески й т ок, т ак как э лект роны в заполненной зоне не могут
и змени т ь свою э нерги ю . Следоват ельно, вещ ест во предст авляет собой
ди э лект ри к. Т и пи чны м ди э лект ри ком являет ся и онны й кри ст алл NaCl.
П олож и т ельны е и оны нат ри я Na+ и мею т э лект ронную конф и гураци ю
(ls22s22p2), а от ри цат ельны е и оны х лора Cl– – (1s22s22p23s23p6). Зоны ,
образую щ и еся и з полност ью заполненны х ат омны х уровней т ож е
оказы ваю т ся полност ью заполненны ми . П оследней заполненной зоной
являет ся зона Зр С l–, а следую щ ей за ней свободной зоной – зона 3s Na+.
Э нергет и ческая щ ель меж дуэ т и ми зонами сост авляет около 9 э В .
      Е сли ш и ри на запрещ енной зоны меньш е 2–3 э В , т о кри ст алл
назы ваю т полупроводни ком. В полупроводни ках засчет т епловой э нерги и
kТ замет ное чи сло э лект роновоказы вает ся переброш енны м всвободную
зону, назы ваемую зоной проводи мост и . П ри очень ни зки х т емперат урах
лю бой полупроводни к ст анови т ся х орош и м ди э лект ри ком.
      Т аки м образом, меж ду мет аллами и ди э лект ри ками сущ ест вует
качест венное разли чи е, а меж ду ди э лект ри ками и полупроводни ками –
т олько коли чест венное. Значени я ш и ри ны запрещ енной зоны для
некот оры х ди э лект ри кови полупроводни ковпри ведены вт абли це1.

       Т абли ца1. Ш и ри назапрещ енной зоны некот оры х кри ст аллов

         К ри ст алл        Eg, эВ          К ри ст алл        Eg, эВ
         С (алмаз)            5,2               Ge             0,66
            BN                4,6             GaAs             1,43
          А 12O3              7,0              InSb            0,17
             Si              1,11           Sn (серое)         0,08


       В заклю чени е от мет и м, что э лект ронная ст рукт ура ат омов,
образую щ и х т вердое т ело, не еди нст венны й ф акт ор, обусловли ваю щ и й
разли чи евзаполнени и зон. Н апри мереNaCl мы ви дели , что важ ную роль
и грает при рода х и ми ческой связи . Х аракт ер заполнени я э нергет и чески х
зон зави си т т акж е и от ст рукт уры кри ст алла. Т ак, напри мер, углерод в
ст рукт уре алмаза – ди э лект ри к, а углерод вст рукт уре граф и т а обладает
мет алли чески ми свой ст вами .

Страницы