Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники
ρ = 10-5 - 10-8 Ом*м
ρ
∆Е
1эВ
B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sb, Sn, Te, I
+ оксиды, сульфиды, селенидыю, теллуриды
Полупроводники
собственные примесные
(естественные) (искусственные)
Ge, Si
Обладают электронной
проводимостью в зоне
проводимости и дырочной
проводимостью в валентной
зоне.
Зонная теория проводимости
Классическая(электронная) теория проводимости очень просто получила закон Ома, закон Джоуля-Ленца, но бессильна в объяснении сверхпроводимости, поэтому возникло несоответствие эксперементальных данных с теорией и была разработа более широкая – зонная теория проводимости.
Зонная теория кристаллов
Э
Е(эВ)
Состояние ионизации
Е1
Уровни энергии
атома
Е2
Е3
Ядро
Ядро
Кристалл.
В кристалле из N атомов за счет их взаимодействия квантовое состояние изолированного атома расщепляется на N квантовых состояний с разными, но близкими энергиями =>зона
Е(эВ)
Е2
зона
33
зона
Е1
d
r межатомное пространство
r
d:
- размерам атомов
В сответствии с постулатами Бора, электрон в атоме может иметь только дискретные значения энергии.
При переходе с одного на другой энергетический уровень атом излучает фотоны определённой частоты. Каждый атом имеет свои частоты излученных и поглощённых фотонов, по которым из идентифицируют.
Проводники имеют кристаллическую решётку. При объединении изолированных атомов в кристаллическую структуру, происходят следующие события:
При сближении N штук атомов в одну кристаллическую структуру. За счёт их взаимодействия каждое квантовое энергетическое расстояние атома расщепляется на N новых состояний с разными, но близкими энергетическими уровнями, образуется энергетическая зона.
Для кристалла Li будет две зоны.
В общем виде совокупность атомов может иметь несколько полностью заполненных электрических зон по числу электронных оболочек у атома.
Самая верхняя из полностью заполненных зон называется валентной. Выше валентной зоны находится зона проводимости. Разделены эти зоны запрещёнными зонами. Ширина запрещённой зоны различна и достигает 1 эВ.
Проводимость электрического тока – это переход электрона из валентной зоны в зону проводимости или с одного энергетического подуровня на другой более высокий в самой зоне проводимости.
Если
зона проводимости пуста, то это диэлектрик
и чтобы он стал проводником нужно из
валентной зоны электроны «перетащить»
в зону проводимости. Тогда это вещество
начнёт проводить электрический ток. У
металлов зона проводимости заполнена
частично, поэтому достаточно небольшой
энергии
,
чтобы перевести электрон с одного
энергетического подуровня на другой.
Это тысячные, сотые доли эВ.
Валентная зона – самая высоколежащая, полностью заполненных электронами зон.
Зона проводимости – частично заполненная, расположена над валентной.
Запрещенная зона – отсутствуют разряженные частицы, квантовые состояние электронов запрещены.
Е(эВ)
Е(эВ)
ЕF
Зона проводимости
Зона проводимости
ЕF
10-23эВ
Валентная
Валентная зона
1-5эВ
Уровень Ферми ЕF – максимальная энергия, которой может обладать электрон при абсолютном нуле.
Между диэлектриками и проводниками находятся полупроводники, которые имеют на внешнем электронном уровне имеют 3,4,5 электронов.
Полупроводники имеют запрещённую зону между валентной и зоной проводимости. И передать электрону легче эту запрещённую зону.