ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
Разрешенные энергетические зоны отделены друг от друга запрещёнными зонами значений энергии электронов. Разре-
шённая зона тем шире, чем больше энергия электрона на соответствующем уровне в изолированном атоме. Возможные зна-
чения энергии электронов в разрешённой зоне не непрерывны, а квантованы, т.е. дискретны, а общее их число конечно. В
кристалле из N атомов одному дискретному значению энергии электрона в изолированном атоме соответствует зона, со-
стоящая из (2l + 1)N дискретных уровней. На каждом из них может находиться не более двух электронов с антипараллель-
ными спинами. Шаг дискретности этих значений энергии для 1 моля кристаллического вещества (N = 6,02 ⋅ 10
23
атомов) со-
ставляет энергию порядка 10
–23
электрон-вольт (эВ). Для электронов внутренних оболочек атомов вероятность туннельного
перехода электрона от одного атома к другому оказывается очень малой. Это связано с уменьшением прозрачности потенци-
ального барьера, в результате чего частота просачивания электрона сквозь потенциальный барьер оказывается ничтожно
малой.
В реальном веществе при 0 К (–273 °С) электронами заполнены не все разрешённые энергетические зоны, а лишь часть,
начиная с самой нижней.
Валентной зоной называется наиболее удалённая зона разрешённых значений энергии, которая при абсолютном нуле
хотя бы частично заполнена электронами. Именно она определяет многие физические и химические свойства материала.
Если все уровни валентной зоны заняты электронами, ни один из них не может ускоряться электрическим полем. Таким
образом, в кристалле валентные электроны могут быть носителями тока, если зона заполнена ими частично, и есть близко
расположенные (10
–23
эВ) свободные уровни энергии, на которые электроны могут переходить, ускоряясь под действием
электрического поля.
В зависимости от заполнения электронами валентной зоны кристаллы делятся на проводники и непроводники (рис. 3.2).
В проводниках (серебро, медь, алюминий, железо и др.) валентная зона заполнена электронами не полностью (рис. 3.2,
а), поэтому при воздействии на них даже самого слабого электрического поля электроны могут ускоряться в нём и перехо-
дить на более высокие уровни. Поэтому в проводниках валентная зона V одновременно является зоной проводимости C
(расположенные выше следующая разрешённая и запрещённая зоны совершенно не влияют на электропроводность!).
В непроводниках все разрешённые уровни валентной зоны V заняты полностью электронами (рис. 3.2, б, в), а до сво-
бодных уровней в следующей разрешённой зоне
отделяет барьер E
g
= E
C
– E
V
, где E
g
– ширина за-
Рис. 3.2. Зонная структура кристаллов:
а – проводники; б – полупроводники; в – изоляторы
(чёрными овалами показаны уровни, занятые электронами
)
прещённой зоны; E
С
– дно зоны проводимости; E
V
– потолок валентной зоны. Поэтому при 0 К (–273 °С) и полупроводник и
изолятор не могут пропускать электрический ток – при этой температуре в них нет электронов, способных ускоряться в
электрическом поле. К непроводникам относятся полупроводники (кремний, германий, арсенид галлия и др.) и изоляторы
(алмаз, оксиды алюминия и магния).
Что происходит при нагревании полупроводников до температуры T > 0 K? Сообщаемое тепло увеличивает энергию
атомов и электронов. Средняя энергия тепловых колебаний кристаллической решетки Q
≈
kT (k – постоянная Больцмана),
но благодаря флуктуациям электрон может случайно получить и больше.
Если она окажется больше ширины запрещённой энергии Q > E
g
, то электрон, находящийся в валентной зоне V, может
перескочить на свободный энергетический уровень в зоне проводимости C (рис. 3.2, б, в). Здесь он уже сможет увеличивать
свою энергию, а значит, станет электроном, участвующим в электрическом токе (такую заряженную частицу называют элек-
троном проводимости n). Одновременно с этим в валентной зоне появляется свободный энергетический уровень (его назы-
вают дыркой p), который может занять (ускоряясь электрическим полем) другой электрон.
При этом дырка p (положительно заряженная квазичастица) будет двигаться вниз по энергии противоположно электро-
нам.
Существует и противоположный процесс, когда свободный электрон проводимости возвращается в незаполненную ва-
лентную зону – рекомбинирует с дыркой. При заданной температуре Т осуществляется термодинамическое равновесие меж-
ду тепловой генерацией и рекомбинацией носителей заряда, в результате чего в зоне проводимости устанавливается некото-
рая, вполне определённая концентрация свободных электронов n
0
, а в валентной зоне – дырок проводимости p
0
.
Таким образом, чем выше температура, тем больше концентрация электронно-дырочных пар (носителей тока), тем
меньше сопротивление полупроводников.
Удельная проводимость полупроводника описывается соотношением
),(
pinii
pne
µ
+
µ
=
σ
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- …
- следующая ›
- последняя »
