Физика проводников и диэлектриков. Плотников В.П. - 26 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

достаточно высокой подвижностью, что подтверждается, например, наблюдаемым экспериментально
явлением фотопроводимости, когда под действием света многие диэлектрики приобретают значитель-
ную электропроводность.
Зонная теория объясняет наличие твердых тел, проводящих электрический ток (проводники) и его
не проводящих (диэлектрики), различием в ширине запрещенных зон и характером заполнения элек-
тронами разрешенных энергетических зон.
На рис. 5.3 представлены схемы энергетических зон
металлов (проводников), диэлектриков (изоляторов) и по-
лупроводников.
Валентной называют зону, возникшую из уровня, на
котором находятся валентные электроны в основном со-
стоянии изолированного атома.
Рассмотрим все три схемы, приведенные на рис. 5.3.
В случае а) электроны заполняют валентную зону не
полностью, что характерно для металлов. Электронам не-
обходимо сообщить небольшую энергию (порядка 10
–
23
…10
–22
эВ), чтобы перевести их на более высокие сво-
бодные уровни в той же самой валентной зоне.
Для этого достаточно энергии теплового движения
при температуре немного выше абсолютного нуля, или энергии даже слабого электрического поля. В
результате в кристалле появляется направленное движение электронов, т.е. металлы теоретически
должны быть хорошими проводниками, что и наблюдается на самом деле.
У металлов валентная зона одновременно является и зоной проводимости.
В случаях б) и в) уровни валентной зоны полностью заняты электронами, а сама зона отделена от
выше расположенной свободной энергетической зоны запрещенным интервалом энергий (запрещенная
зона) величиной
E
∆ (ширина запрещенной зоны).
По величине ширины запрещенной зоны такие кристаллы делят на диэлектрики с относительно
большим значением
E
∆ > 3 эВ и полупроводники, у которых сравнительно узкая запрещенная зона с
E
∆ < 1 эВ.
У диэлектриков внешнее электрическое поле не может сообщить электронам энергию, достаточную
для перехода в свободную зону. Скорее происходит пробой или плавление кристалла.
Ширина запрещенной зоны в полупроводниках позволяет электрическому полю перебросить элек-
троны в свободную зону, которая является в этом случае и зоной проводимости. Электроны ведут себя в
ней подобно электронам проводимости в валентной зоне металлов.
В связи с широким применением полупроводниковых материалов в науке и технике рассмотрим их
электрические свойства несколько подробнее.
5.3 Собственная и примесная проводимость
полупроводников
Собственная проводимость возникает при переходе электронов с верхних уровней валентной зоны
в зону проводимости. Для этого необходимо затратить энергию не менее ширины запрещенной зоны
(энергия активации).
Собственная проводимость носит смешанный электронно-дырочный характер. Ушедший со своего
места электрон оставляет вместо себя «дырку», эквивалентную положительному заряду. Ее может за-
нять другой электрон, тогда «дырка» сместится.
Такой вид проводимости существует у полупроводников, свободных от примесей (химически чис-
тые германий, кремний, теллур, селен и др.).
В этом случае при абсолютном нуле температуры над полностью занятой электронами валентной
зоной расположена свободная зона проводимости. Электроны на ее уровни переходить не могут, и по-
лупроводник, в смысле проводимости, эквивалентен диэлектрику.
Увеличение температуры обеспечивает электронам энергию, необходимую для такого перехода. В
зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – «дырки». И, чем уже запрещенная зона,
° °
° °
° °
°
°
°
°
°
°
°
°
°
°
°
° °
°
°
° °
СВОБО
ная
зона
СВОБО
ная
зона
СВОБОДНАЯ ЗОНА (ЗОНА
проводим
сти)
E
∆
°
°
° °
°
°
° °
° °
° °
° °
° °
° °
ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА
(
зона проводимости)
ЗАПОЛНЕННАЯ
валентная зона
ЗАПОЛНЕННАЯ
валентная зона
металл
а)
диэлектрик
б)
полупроводник
в)
. 5.3
ЗАПРЕЩЕННЫЕ ЗОНЫ

Страницы