Классификация твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики.

Металлы. Твердое тело является металлом, если валентная зона либо частично заполнена электронами - это наблюдается в тех случаях, когда на последнем занятом уровне изолированного атома находится только один электрон без парного с противоположно ориентированным спином; либо когда валентная зона перекрывается с незаполненной зоной возбужденных уровней. В этих случаях валентная зона металлов с прилегающими к ее заполненным уровням свободными уровнями образуют зону проводимости.

В зоне проводимости "энергетическое расстояние" между соседними уровнями составляет величину порядка 10^-23 - 10^-22 эВ. Следовательно, уже при температуре 1К, когда средняя энергия теплового хаотического движения электрона kТ составляет около 10^-4 эВ, часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни валентной зоны или на возбужденные уровни незаполненной зоны, перекрывающей валентную зону.

То же самое происходит под действием электрического поля. Электроны, ускоренные внешним электрическим полем, переходят с более низких энергетических уровней на более высокие уровни зоны проводимости.

Диэлектрики. У диэлектриков (изоляторов) уровни валентной зоны полностью заняты электронами, а свободная зона энергий возбужденных состояний отделена от валентной зоны запрещенной зоной Е. Ее ширина имеет порядок нескольких эВ. Тепловое движение не может забросить в свободную зону заметное число электронов. Свойство диэлектриков – очень большое удельное сопротивление (малая электропроводность), обусловлено отсутствием электронов проводимости и большой шириной запрещенной зоны (большой энергией активации).

Полупроводники. 1. Чистые полупроводники. Если уровни валентной зоны полностью заняты при небольшой ширине запрещенной зоны ΔЕ (от нескольких десятых долей эВ до 1,5 эВ), то такое тело будет диэлектриком лишь при низких температурах. При определенных температурах Т_с, называемых температурами собственной проводимости, энергия теплового хаотического движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести ("перебросить") часть электронов из валентной зоны в верхнюю свободную зону. Свободная зона является в этом случае зоной проводимости. Одновременно становятся возможными переходы электронов внутри валентной зоны на освободившиеся в ней (вакантные) верхние уровни.

Вещества, имеющие описанные выше свойства, относятся к группе чистых, беспримесных полупроводников. А проводимость полупроводников, обусловленная "перебросом" электронов из валентной зоны в зону проводимости в результате теплового возбуждения этих электронов, называется собственной проводимостью.

Вакантное место с недостающим электроном в системе квантовых состояний называют дыркой. Движение электронов в валентной зоне по величине возникающей силы тока эквивалентно движению дырок в направлении, противоположном движению электронов.

Итак, в беспримесном полупроводнике при температурах, равных или больших Т_с, проводимость осуществляется в зоне проводимости – электронами (поставляемыми из валентной зоны), в валентной зоне – дырками.

2. Примесные полупроводники. Величину электропроводности полупроводника могут существенно изменить некоторые примеси, внесенные в кристаллическую решетку даже в небольшом количестве.

Атомы примеси имеют свою систему энергетических уровней. Эти уровни накладываются на энергетический спектр (совокупность энергетических зон) основы. При этом уровни примеси могут "попасть" в зону запрещенных энергий основы, отделяющую валентную зону от зоны проводимости основы. Причем в этот запрещенный промежуток могут попасть и уровни, заполненные электронами, и возбужденные незаполненные уровни атомов примеси.

Если заполненные электронами уровни атомов примеси располагаются вблизи зоны проводимости основы ΔЕ₁<<ΔЕ, электроны с этих уровней, получив энергию ΔЕ₁ – энергию активации, могут перейти в зону проводимости основы. Такие уровни называются донорными (отдающими свои электроны в зону проводимости основы), а примеси с донорными уровнями называются донорами. Это примеси n -типа; в них основные носители тока – электроны, а проводимость – электронная.

Если в запрещенную зону основы вблизи от ее заполненной зоны попадает незаполненный возбужденный уровень примесного атома, электроны валентной зоны основы, получив энергию активации ΔЕ₂<<ΔЕ, могут перейти из заполненной валентной зоны основы на этот незаполненный возбужденный уровень примеси. Для переброса электрона через всю щель ΔЕ возбуждения ΔЕ₂ явно недостаточно. Уровни примесных атомов, "принимающие" электроны основы из валентной зоны, называются акцепторными, а примеси, соответственно, акцепторами.

После ухода электрона из валентной (ранее заполненной) зоны на акцепторный уровень, в этой зоне остается незаполненный уровень (вакантное место) – дырка. Под действием внешнего электрического поля (или другого направленного воздействия) на место ушедшего на акцепторный уровень электрона, т.е. на дырку, может перейти электрон с более низкого уровня валентной зоны основы, вновь "освобождая" уровень и оставляя за собой дырку. Таким образом, дырка ведет себя как положительный заряд, движущийся в направлении, обратном направлению движения электронов в валентной зоне основы. Поэтому акцепторные примеси называют примесями р-типа (в них носителями заряда являются положительные заряды – дырки), а их проводимость называют дырочной.