Физические основы электроники. Глазачев А.В - 7 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТПУ | Томск

Составители: 

Рубрика: 

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
7
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, назы-
вается зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная
зона.
Ширина запрещенной зоны яв-
ляется основным параметром, харак-
теризующим свойства твердого тела
(рис. 1.4). Вещества, у которых ши-
рина запрещенной энергетической
зоны
3
01
,
0
£
D
£
W
эВ, относятся к
полупроводникам, а при
3
>
D
W
эВ
– к диэлектрикам. У металлов (про-
водников) запрещенная зона отсут-
ствует. В полупроводниковой элек-
тронике широкое применение полу-
чили германий
Ge
(
67
,
0
=
D
W
эВ) и
кремний
Si
(
12
,
1
=
D
W
эВ) – эле-
менты 4-й группы периодической
системы элементов Менделеева, а
также арсенид галлия
GaAs
(
43
,
1
=
D
W
эВ). Всего лишь около 10 лет назад в качестве доступного ма-
териала для полупроводниковых приборов стал рассматриваться карбид кремния
SiC
, что стало воз-
можным благодаря развитию технологии выращивания кристаллов требуемого размера в необходимых
количествах. Ширина запрещенной зоны у карбида кремния
4
,
3
4
,
2
K
=
D
W
эВ для разных политипов.
Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить с одного энергетического
уровня на другой свободный уровень, электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри
разрешенной зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешенной
зоны в другую. Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещения элек-
трона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется очень малая энергия, порядка
эВ1010
48 --
K , что может быть следствием тепловых колебаний атомов; ускорений электронов даже
под действием слабых внешних электрических полей; попадания в атом кванта световой энергии – фо-
тона, а также ряда других видов внешних воздействий.
Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию,
равную ширине запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внеш-
нее электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводи-
мости, так как энергия, приобретаемая электроном, движущимся ускоренно на длине свободного про-
бега, недостаточна для преодоления запрещенной зоны. Длиной свободного пробега является расстоя-
ние, проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллической решетки.
Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действием электрического поля за-
висит от структуры энергетических зон и степени их заполнения электронами.
Необходимым условием возникновения электрической проводимости в твердом теле является
наличие в разрешенной зоне свободных или не полностью занятых энергетических уровней. Так, в ме-
таллах зона проводимости частично заполнена и под действием температуры электроны могут перехо-
дить из полностью заполненных зон в зону проводимости. Однако их концентрация всегда мала по
сравнению с концентрацией валентных электронов. Поэтому концентрация электронов в металлах
практически не зависит от температуры и зависимость электропроводности металлов от температуры
обусловлена только подвижностью электронов, которая уменьшается с увеличением температуры из-за
увеличения амплитуды колебания атомов в кристаллической решетке, что влечет за собой уменьшение
длины свободного пробега электрона.
У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частично заполненных зон.
При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости со-
вершенно пуста, поэтому эти вещества проводить ток не могут. Однако если этому веществу сообщить
достаточное количество энергии, то электроны, приобретая дополнительное количество энергии, могут
преодолеть ширину запрещенной зоны и перейти в зону проводимости. В этом случае вещество при-
обретает некоторую электропроводность, которая возрастает с ростом температуры.
эВ301.0
£
£
W
эВ3
>
D
W
Рис. 1.4. Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:
проводник (а); полупроводник (б); диэлектрик (в)

Страницы