Основы зонной теории твердого тела

Электроны в твердых телах не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь строго определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями. При переходе электрона с одного уровня на другой уровень выделяется или поглощается квант энергии. Рассмотрим распределение электронов по уровням энергии в различных материалах.

У металлов зона проводимости примыкает к валентной зоне (рисунок 29а) и поэтому переход электронов из валентной зоны в зону проводимости происходит очень просто.

Рисунок 29. Распределение зон в металлах (а) и в диэлектриках (б)

 

У диэлектриков кроме зоны проводимости и валентной зоны существует еще и запрещенная зона шириной в несколько электрон-вольт (рисунок 29б). Поэтому при нормально температуре диэлектрики имеют ничтожно малое количество свободных электронов проводимости.

У полупроводников ширина запрещенной зоны составляет примерно 1 электрон-вольт (у германия – 0.72 эВ, а у кремния 1,1 эВ). Поэтому значительное число электронов может переходить из валентной зоны в зону проводимости. При температуре абсолютного нуля полупроводники без примесей являются диэлектриками. В них нет свободных электронов. При повышении температуры электроны валентной зоны получают дополнительную энергию и преодолевают запрещенную зону, становясь свободными. В валентной зоне возникает «дырка» - атом без электрона. Этот процесс называется генерацией пар носителей зарядов. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей зарядов происходят в полупроводниках постоянно и одновременно. Число свободных электронов и «дырок» в чистом полупроводнике одинаково. Если теперь к полупроводнику приложить напряжение, то в нем возникнет электрический ток, обусловленный движением электронов и «дырок». Удельная проводимость чистых полупроводников невелика и сильно зависит от температуры. В современной электронике с целью улучшения свойств полупроводников применяются полупроводники с большим содержанием примеси.

Примеси, которые отдают электроны, называются донорными. Число свободных электронов, отдаваемых донорными примесями, в 10 раз больше числа свободных электронов от чистых полупроводников. Поэтому в полупроводнике с донорными примесями число свободных электронов в такое же число раз превышает число «дырок».

Рисунок 30. Распределение зон в полупроводниках с донорной примесью

Полупроводник с преобладанием электронной проводимости называется полупроводником типа. Уровни доноров расположены вблизи зоны проводимости (рисунок 30). Поэтому электроны доноров свободно переходят в зону проводимости. Донорными примесями являются сурьма мышьяк и фосфор .

Примеси, отбирающие от атомов полупроводника электроны, называются акцепторными. Они образуют в полупроводниках преимущественную дырочную проводимость.

 

Число свободных «дырок», отдаваемых акцепторными примесями, в 10 раз больше числа «дырок» от полупроводникового материала. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником типа.

Рисунок 31. Распределение зон в полупроводниках с акцепторной примесью

Уровни акцепторов располагаются вблизи валентной зоны (рисунок 31). Акцепторными примесями являются бор алюминий . Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями. Неосновными носителями называются те носители, концентрация которых меньше.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о валентной зоне, зоне проводимости и о запрещенной зоне в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

2. Какие процессы происходят в чистых полупроводниках?

3. Расскажите о полупроводниках типа.

4. Расскажите о полупроводниках типа.

5. Что такое основные и неосновные носители заряда?