32. Зонная структура различных материалов

Р исунок 1: Упрощённая зонная диаграмма для проводников, полупроводников и диэлектриков.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы (см. Рисунок 1):

• металлы — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

• полупроводники — зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

• диэлектрики — зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также проводимость можно увеличить, создав разрёшенный энергетический уровень в запрещённой зоне путём легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессом рекомбинации.

Многозонную теорию строения твердого тела можно использовать для объяснения электропроводности вещества. Если валентная зона твердого тела заполнена, а до следующей незаполненной энергетической зоны далеко, вероятность того, что электрон на нее перейдет, близка к нулю. Значит, электроны прочно привязаны к атомам и практически не образуют проводящего слоя. Соответственно, и под воздействием электрической разности потенциалов с места они не двигаются, и мы имеем изолятор — вещество, не проводящее электрический ток.

Проводник, с другой стороны, как раз представляет собой вещество с частично заполненной зоной валентных электронов, внутри которой электроны имеют значительную свободу перемещения от атома к атому. Наконец,полупроводники — это кристаллические вещества с заполненной валентной зоной, и в этом они подобны изоляторам, однако разность энергий между валентным уровнем и следующим, проводящим энергетическим уровнем у них настолько незначительна, что электроны преодолевают ее при обычных температурах чисто в силу теплового движения.

Способность твердых тел пропускать электрический ток характеризуется их электрической проводимостью или электропроводностью. Величина обратная электропроводностиназывается удельным сопротивлением . Чем больше в твердом теле электронов, тем больше его электронная проводимость. Чем больше в твердом теле дырок, тем больше его дырочная проводимость. Однако, на величину электропроводности влияет не только концентрация свободных носителей заряда, но и их подвижность.

В физике твёрдого тела, ды́рка — это отсутствие электрона в электронной оболочке. В некоторых случаях, поведение дырки внутри кристаллической решётки полупроводника сравнимо с поведением пузыря в полной бутылке с водой^[1]. Дырочная проводимость может быть объяснена следующим образом: представьте себе ряд людей сидящих в аудитории, где нет запасных стульев. Если кто-нибудь из середины ряда хочет уйти, он прыгает через спинку стула в пустой ряд и уходит. Здесь пустой ряд — аналогия зоны проводимости, а ушедшего человека можно сравнить с свободным электроном. Теперь представим, что ещё кто-то хочет прийти и сесть. В пустом проходе неудобно находиться, и он хочет сесть. Тогда зритель, сидящий возле пустого места пересаживается туда, и это повторяют все его соседи. Таким образом, пустое место как бы двигается к краю ряда. Когда вакантное место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть в освободившееся место. В этом процессе каждый сидящий передвинулся вдоль ряда. Если представить, что зрители это отрицательно заряженные электроны, такое движение можно было бы назвать электрической проводимостью, тогда вакантные места обладают положительным зарядом. Это простая модель, показывающая как дырочная проводимость работает. Однако в реальности, из-за свойств кристаллической решётки, дырка не локализована в определённом месте, как описано выше, а размазана на площади многих сотен кристаллических решеток.

Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом.

В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном.

Тяжелые дырки — название одной из ветвей энергетического спектра валентной зоны кристалла.