2.Дайте определение понятиям «валентная зона», зона проводимости, запрещенная зона, кристаллическая решетка, дырка, время жизни носителей электрического заряда, длина свободного пробега электрона.

Валентная Зона: Валентная Зона - наивысшая из разрешенных энергетических зон электронов твердого тела, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты (см. Зонная теория). При Т""0 К образующиеся в валентной зоне дырки участвуют в электропроводности. Понятие валентной зоны обычно применяют в физике полупроводников и диэлектриков. 

Зона проводимости — в зонной теории твёрдого тела первая из незаполненных электронами зон (диапазонов энергии, где могут находиться электроны) в полупроводниках и диэлектриках. Электроны из валентной зоны, преодолев запрещённую зону, при ненулевой температуре попадают в зону проводимости и начинают участвовать в проводимости, то есть перемещаться под действием электрического поля.

Запрещённая зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле.

Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии.

Дырка - в зонной теории твёрдого тела, квантовое состояние, не занятое электроном. Дырка ведёт себя как частица (квазичастица) с положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Наряду с электронами дырки являются носителями тока в полупроводниках.

Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q₁ = q₂ = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9·10⁹ H, т.е. с силой, с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн.

Длина свободного пробега электрона (точнее, средняя длина свободного пробега) - ср. расстояние, которое проходит частица между двумя последовательными столкновениями.

Д. с. п. равна   , где  - ср. скорость молекул,   - ср. время между столкновениями, причём   ,   - частота столкновений, т. е. ср. число столкновений, испытываемых молекулой за единицу времени в единице объёма. Следовательно,   . Для газа упругих сфер радиуса а частота столкновений  , где п - число молекул в единице объёма, - полное эфф. сечение столкновения, .

В общем случае частота столкновений равна   , где и - модуль относит. скорости,

 - полное эфф. сечение столкновений,

угловые скобки означают усреднение по Максвелла распределению относительных скоростей с приведённой массой  -дифференц. эфф. сечение столкновения. При вычислении кинетических коэф. оказываются существенными т. н. транспортные Д. с. п. Напр., для диффузии вводят транспортное эфф. сечение 

а для вязкости 

Электропроводность твердых тел в современной физике объясняется на основе зонной теории. Валентная зона, которая у полупроводников так

же, как и у диэлектриков, при температуре, равной абсолютному нулю, полностью заполнена электронами. Валентная зона и зона проводимости разделены энергетическими интервалами, так называемой запрещенной зоной, величина которой (ΔE ) для полупроводников имеет значения до 2–3 эВ, для диэлектриков более 2–3 эВ (металлы имеют или частично заполненную валентную зону, или полностью заполненную валентную зону, ноперекрывающуюся с зоной проводимости).

Существование запрещенной зоны энергий можно объяснить, исходя из особенностей химической связи в полупроводниках. При ненарушенных связях в кристалле (нет химических примесей и структурных дефектов) все валентные электроны каждого атома(два s -электрона и два p -электрона) участвуют в образовании ковалентных связей В таком состоянии (температура абсолютного нуля и отсутствие внешних ионизирующих воздействий) кристалл является изолятором.

Для создания подвижных электронов необходим разрыв некоторого количества связей. Это происходит при повышении температуры и под действием ионизирующих излучений. При разрыве каждой связи возникает один электрон проводимости и одно вакантное квантовое состояние электрона. Наименьшее приращение энергии электрона при его переходе из связанного состояния в состояние проводимости (работа разрыва связи) есть ширина запрещенной зоны ΔE .

При абсолютном нуле полупроводник не имеет свободных электронов в зоне проводимости и является изолятором. Однако с повышением температуры электроны получают тепловую энергию, которая для части электронов оказывается достаточной для преодоления запрещенной зоны и перехода их в зону проводимости. В результате полупроводник теряет свойства идеального изолятора, так как электрическое поле имеет возможность

изменять состояние электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне, электроны этой зоны также могут изменять свою скорость под действием внешнего поля. Поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название «дырок».

Таким образом, полупроводники обладают двумя видами электропроводности: электронной, обусловленной движением свободных электронов в зоне проводимости, и дырочной, обусловленной движением дырок в валентной зоне.

Проводимость чистых полупроводников создается как электронами, так и дырками и называется собственной проводимостью. Уровень Ферми в собственных полупроводниках находится посередине запрещенной зоны.

Типичными представителями полупроводников являются химически чистые элементы IV группы таблицы Менделеева. В кристаллической решетке этих элементов (например, германия) каждый атом образует четыре парно-электронные (ковалентные) связи с соседними атомами.

Введение в полупроводники незначительного количества примесей (10) в -4 степени ≈ приводит к значительному увеличению электропроводности полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, называется примесной. Рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводников. При замещении атома германия атомом, имеющим три валентных электрона, одна валентная связь германия оказывается не заполненной электроном. Электрон одной из соседних заполненных связей может перейти в незаполненную связь. Причем этот переход требует гораздо меньшей энергии Wа ∆ по сравнению с энергией ΔE отрыва электрона от атома в идеальной решетке германия. По зонной теории введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению свободных уровней Eа вблизи потолка валентной зоны.Уровни, способные захватывать валентные электроны, называются акцепторными.

Часть валентных электронов покидает валентную зону и занимает эти уровни, оставляя после себя в валентной зоне дырки, которые являются основными носителями тока в подобного рода полупроводниках. Такие полупроводники называются полупроводниками p –типа.