Рассмотрим образование и строение энергетических зон в кристаллах.
Многие полезные с практической точки зрения физические свойства твердых тел, например, электропроводность объясняются их зонной структурой.
Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Мы будем рассматривать строение энергетических зон только в твердых телах, имеющих кристаллическую структуру, к которым относятся большинство полупроводников, применяемых для создания электронной техники.
Энергетический спектр
Энергетический спектр, энергетическая структура - эти понятия привнесены в физику квантовой механикой. В классической физике система может иметь любую энергию.
В квантовой механике каждая физическая система характеризуется определенным энергетическим спектром. Например, в атоме водорода энергия электрона может принимать значения, равные
(1.1)
E 0 » 13,5 эВ, n = 1, 2,...
*) эВ – энергия, которую приобретает электрон, пройдя через электрическое поле с разносиътью потенциалов 1 Вольт
Одним из важнейших выводов квантовой механики в применении к макроскопическим телам было установление зонной структуры их энергетического спектра: когда полосы разрешенны х значений энергии перемежаются с полосами запрещенны х значений.
Коллективное движение частиц в твердых телах удобно характеризовать с помощью квазичастиц.
В твердом теле - это фононы, экситоны, магноны, плазмоны, поляроны, электроны и дырки.
Различают два класса квазичастиц - фермионы, и - бозоны.
Фермионы - частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми - Дирака.
Бозоны - частицы с целым спином, для них реализуется статистика Бозе - Эйнштейна.
*) спин - собственный момент количества движения (мех момент)
Мы будем рассматривать энергетический спектр движения электронов, относящихся к классу фермионов.
Кроме того, мы будем пользоваться понятием - фонон
Фонон – квант тепловых колебаний кристаллической решетки, квазичастица обладающая энергией Ефон
Ефон = kT (1.2)
При рассмотрении энергетического спектра электронов используются ряд приближений:
- рассматриваются только валентные электроны внешних атомных оболочек, которые образуют систему электронов проводимости.
- электроны внутренних атомных оболочек вместе с ядром представляются единым целым - ионом.
Рассмотрим качественно, как образуются энергетические зоны. Пусть N атомов составляют правильную пространственную решетку и расположены на больших (макроскопических) расстояниях друг от друга. Если однородно сжимать такую решетку, сохраняя геометрическое подобие то в процессе сближения атомов усиливается их взаимодействие, что и обуславливает трансформацию энергетического спектра электронов изолированного атома в электронный спектр кристалла.
Рис. 1. Схема образования энергетических зон кристалла из атомных уровней при сближении атомов.
В каждом атоме имеются различные уровни энергии (соответствуюшие электронным уровням) ЕМ, ЕL, ЕK и т.д. (рис.1)
В изолированном атоме электрон пребывает на стационарном уровне Еa неограниченно долгое время.
Чтобы покинуть атом электрону надо сообщить энергию для преодоления потенциального барьера.
При сближении атомов друг с другом у электронов появляется возможность обмениваться местами вследствие туннельного эффекта.
*)- явление просачивания частицы сквозь потенциальный барьер, туннельный эффект - чисто квантовое явление
.
Таким образом, сокращается время пребывания электрона на данном узле решетки. Время пребывания электрона вблизи данного узла t связано с размытием, или шириной, уровня D Е:
tD Е ~ 
, (1.3)
где = h/2p
*) h = 6,625.10-24– постоянная Планка (или квант действия),
(1.3) это соотношение неопределенности (соотношение неопределенности Гейзенберга для энергии Е и времени t)
другими словами - энергия частицы, в каком либо состоянии может быть определена тем точнее, чем дольше частица находиться в этом состоянии.
Следовательно, уменьшение t при образовании кристалла из изолированных атомов приводит к расширению уровня Еa в зону шириной D Еa.
Т.е. в результате переходов электронов при сближении атомов одинаковые уровни энергии расщепляются.
В кристалле огромное число атомов: 1022 - 1023 в кубическом сантиметре.
Каждый атомный уровень расщепляется на N уровней, расстояние между которыми тем меньше, чем больше число атомов.
В пределе N ® ¥ они слипаются образуя зоны разрешенных значения энергий, ширина которых тем больше, чем больше взаимодействие между соседними атомами. На каждый уровень в зоне может поместиться два электрона (квант. Физика), а всего в зону - 2 N электронов.
Важно: для расщепления уровня на N уровней нет необходимости, чтобы все N атомов были близки друг к другу; достаточно, чтобы к любому можно было добраться через соседей. Величина максимального расщепления определяется взаимодействием атомов - соседей
Для валентных электронов ширина разрешенной энергетической зоны составляет несколько электрон-вольт: D Е ~ /t ~ 1 эВ. Отсюда следует, что расстояние между уровнями, как было отмечено выше, бесконечно мало (D Е / N ~ 10-22 эВ), так что зону можно считать квазинепрерывной.
Для электронов внутренних атомных оболочек потенциальный барьер шире и выше, и вероятность туннельного эффекта намного меньше, чем для валентных электронов. Вследствие этого электроны глубоких уровней практически связаны с определенными узлами решетки. Так К-электрон натрия переходит от одного узла к другому в среднем за t ~ 1 час, а DЕ ~ 10-19 эВ, т. е. К-уровень в кристалле остается практически резким. Однако и на глубоких уровнях в стационарном состоянии электрон распределен с одинаковой вероятностью по всем узлам кристаллической решетки.
Пример:
Частота переходов электронов n от одного атома к другому пропорциональна вероятности туннелирования через потенциальный барьер DЕп.
Можно показать, что при высоте ПБ DЕп ~ 10 Эв время нахождения электрона в определенном узле решетки всего лишь
t = 1/n ~ 10-15 секунд.. (1.4)
Иными словами, электроны внешних атомных оболочек не локализуются вблизи определенного узла решетки, а движутся по кристаллу.
При радиусе боровской орбиты b ~ 10-8 см скорость движения
v ~ b/t= 10-8/10-15 ~ 107 см/с. (1.5)
Справка: скорость электрона в атоме v ~ 108 см/с,
