Й вопрос: Зонная теория твердого тела.

Модуль №1. Физические основы полупроводников.

Тема: Электрофизические свойства полупроводников.

Вопросы: 1 Зонная теория твердого тела.

2 Внутренняя структура полупроводников.

3 Собственная проводимость полупроводников.

Примесная проводимость полупроводников.

й вопрос: Зонная теория твердого тела.

Все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Мельчайшая частица вещества, атом, состоит из более мелких частиц протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, равный по величине заряду протона, нейтроны – электрически нейтральны. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого по определенным, замкнутым траекториям (орбитам) движутся отрицательно заряженные электроны (рис. 1). В нормальном состоянии количество протонов в атоме равно количеству электронов и атом является электрически нейтральным. Электроны изолированного атома могут двигаться вокруг ядра только по строго определенным орбитам, в соответствии с их энергетическим уровнем. Энергетический уровень электрона характеризуется суммой его кинетической и потенциальной энергий. Сколько вокруг атома орбит, столько и энергетических уровней. Все электроны атома не могут находиться на одной орбите (одном энергетическом уровне). И не на всех энергетических уровнях могут находиться электроны. Энергетические уровни на которых могут находиться электроны – называются разрешенными, на которых не могут – запрещенными. Количество электронов на каждой орбите и количество орбит для каждого вещества строго определены. На первой орбите – не более 2-х электронов, на второй – не более 8, на третьей – не более 18. Согласно квантовой теории строения вещества, орбиты расположенные ближе к ядру имеют низший энергетический уровень, чем орбиты более удаленные от ядра. В нормальном состоянии электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, располагаясь ближе к ядру, а более высокие энергетические уровни (на более удаленных орбитах) остаются частично свободными. На внешних орбитах атома располагаются электроны, определяющие валентность вещества, поэтому внешние орбиты называют валентными. При переходах на орбиты, расположенные ближе к ядру, электрон отдает часть своей энергии в виде электромагнитного излучения в окружающую среду. При получении электроном дополнительной энергии от воздействия на вещество тепла, света и т.д., он переходит на новую более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным. Предельный случай возбуждения – ионизация, при которой электрон отрывается от ядра, покидая атом. В отличие от одиночного атома в твердом теле атомы расположены близко друг к другу. При этом на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов, вызывая изменения характера движения электрона. Орбита по которой движется электрон становится не круговая, и при движении по такой орбите энергия электрона будет изменяться. При объединении в твердом теле N одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на N близко расположенных друг к другу энергетических уровней, образующих энергетическую зону. На рис. 2 показаны графически энергетические зоны твердого тела. По вертикальной оси отложен уровень энергии, которой обладают электроны. Горизонтальная ось – безразмерная. Уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля образуют в твердом теле заполненную энергетическую зону. Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии не занятые при температуре абсолютного нуля составляют свободную зону, нижнюю часть которой называют зоной проводимости, т.к. уровни энергии входящие в нее могут занять электроны получившие дополнительную энергию при нагреве или другим путем. Шириной запрещенной зоны определяется электропроводность материала. Такая энергетическая структура твердых тел позволяет объяснить их разделение на проводники, диэлектрики и полупроводники.

У проводников зона проводимости и зона валентных электронов перекрывают друг друга, запрещенная зона отсутствует и валентные электроны легко переходят в зону проводимости (рис. 3а).

У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика и для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию (рис. 3б).

Для полупроводников запрещенная зона относительно невелика (рис. 3в) и под действием внешних факторов (тепло, свет, электрическое поле и т.п.) электроны за счет изменения запаса энергии могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Электропроводность полупроводников неустойчива и сильно зависит от внешних факторов.