1. Основы зонной теории твердого тела
Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы— нейтроны и положительно заряженные— протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона, поэтому в нормальном состоянии, когда число электронов, образующих электронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре, атом электрически нейтрален. Заряд ядра совпадает с номером элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, поэтому, например, атом 14-го элемента (кремния) имеет 14 электронов, а атом 32-го (германия) —32 электрона, вращающихся вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в электронные слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия, которой обладает электрон (так называемый разрешенный энергетический уровень). Количество электронов, которое может располагаться в каждом слое, строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором — не более восьми, в третьем — не более 18.
Электроны всегда стремятся занять уровни наименьшей энергии, поэтому внутренние электронные слои оказываются, как правило, целиком заполненными. Не «уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, электроны которого определяют валентность элемента в химических реакциях. Именно четыре электрона кремния 14—(2 + 8)=4 и германия 32—(2+8+18)=4, расположенные во внешнем незаполненном слое, определяют четырехвалентность этих элементов.
Чем дальше от ядра расположена орбита с разрешенным энергетическим уровнем, которую занимает электрон, тем большей энергией он обладает. При переходах на орбиты, расположенные ближе к ядру, электрон отдает часть своей энергии в окружающую среду в виде излучения. При этом электрон не может переместиться на произвольные орбиты с так называемыми запрещенными энергетическими уровнями: он может занять только орбиту с меньшим значением разрешенного энергетического уровня. В процессе такого перехода атом излучит порцию (квант) энергии.
Рис. 1. Энергетические зоны твердого тела
Если же электрон под воздействием теплоты, света или каких-либо других внешних факторов получит квант энергии, то он перейдет на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным. Предельным случаем возбуждения является ионизация, при которой электрон покидает атом, становясь свободным электроном, а оставшийся атом приобретает положительный заряд и становится ионом.
В твердом теле (кристалле) происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны «своего» атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате этого взаимодействия происходит смещение и расщепление энергетических уровней электронов. При этом каждый из разрешенных уровней расщепляется на несколько, число которых равно числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни образуют энергетическую зону.
На рис. 1, а схематически показано расщепление энергетических уровней W1 и W2 электронов в одиночном атоме прч образовании системы из шести одинаковых атомов. При достаточно большом расстоянии а между атомами они почти не влияют друг на друга. При сближении атомов до расстояния а2 начинается расщепление энергетического уровня W2, соответствующего наиболее удаленному электронному слою, на шесть дискретных значений. Когда расстояние между атомами достигает значения а1 начинается расщепление уровня W1. С сокращением расстояния а процесс расщепления уровней усиливается и в системе образуется две разрешенные энергетические зоны ∆W2 и ∆W1 Между зонами располагается промежуток, не содержащий разрешенных энергетических уровней и называемый поэтому запрещенной зоной.
Рис. 2. Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б) и полупроводника (в):
1—валентная зона; 2 — зона проводимости; 3 — запрещенная зона
При дальнейшем сближении атомов, когда расстояние между ними станет меньше а0, наступает перекрытие энергетических зон ∆W1 и ∆W2, т.е. запрещенная зона исчезает.
На рис. 1, б условно показано расположение энергетических зон твердого тела. Уровни энергии, занятые электронами, образуют заполненную зону, включающую внутренние слои электронной оболочки атомов. Совокупность энергетических уровней, соответствующих наружному слою, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются не занятыми, составляют свободную зону, нижняя часть которой называется зоной проводимости, так как ее уровни могут занимать возбужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества.
Зонная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. На рис. 2 показано типичное расположение энергетических зон для этих групп веществ. У проводников (металлов) валентная зона 1 и зона проводимости 2 перекрывают друг друга, т. е. запрещенная зона отсутствует (рис. 2, а) и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков (рис. 2, б) ширина 3 запрещенной зоны велика [более 6 эВ (электрон-вольт)] и, следовательно, для перехода валентных электронов в зону проводимости (такой процесс происходит при пробое изоляции) им надо сообщить значительную энергию. У полупроводников (рис. 2, в) запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1—3,0 эВ (для наиболее распространенных полупроводников) до 3,0—6,0 эВ (для полупроводников, на основе которых, предполагают, могут быть созданы высокотемпературные полупроводниковые приборы). Поэтому в полупроводниках под влиянием внешних энергетических воздействий (свет, теплота, электрическое поле, ионизирующее излучение и т. п.) возбуждённые электроны, получив кванты энергии, могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, резко увеличивая электропроводность вещества.
При дальнейшем увеличении энергии, приобретенной электроном, он может выйти за поверхность твердого тела. Тело, из которого электроны вышли в окружающую среду, заряжается положительно и, следовательно, между ним и покинувшими тело электронами возникает электрическое поле, удерживающее эти электроны на поверхности тела и препятствующее выходу новых электронов. Следовательно, для отрыва от поверхности тела электроны должны затратить работу против электрических сил, возвращающих их обратно. Эта работа называется работой выхода.
Значение работы выхода твердых тел зависит от их температуры и является физической характеристикой вещества. Чем меньше работа выхода, тем меньшей должна быть затрата энергии для получения свободных электронов вне твердого тела. Выход электронов возможен из проводников, полупроводников и диэлектриков. Однако у последних он в обычных условиях исключен и происходит лишь при электрическом пробое.