1.2 Електричні властивості діелектриків, металів і

напівпровідників

Діелектрики.

Як уже відзначалося, у діелектриків валентна зона цілком заповнена електронами і відділена від зони провідності забороненою зоною, ширина якої W> 4 еВ. У зоні провідності електронів нема, тому що енергії теплового руху недостатньо для переводу їх з валентної зони в зону провідності. При накладанні зовнішнього електричного поля електрони, що знаходяться у валентній зоні, не можуть прийти в спрямований рух, тому що при цьому їхня енергія повинна зрости і, отже, вони повинні перейти на більш високі підрівні валентної зони. Однак усі підрівні енергії в цій зоні зайняті електронами, тому в силу принципу Паулі такі переходи заборонені.

Єдина можливість для виникнення струму провідності в діелектрику – це перехід електронів у зону провідності. Однак, оскільки ширина забороненої зони W>>kТ, то енергії теплового руху недостатньо для переводу їх у зону провідності. Тому діелектрики практично не проводять електричний струм.

Метали.

На рис.3 схематично показане заповнення електронами зони провідності в металі при Т=0. Видно, що в цьому випадку електрони заповнюють усі нижні підрівні енергії аж до рівня Фермі. При Т>0 частина електронів може переходити на більш високі підрівні енергії в зоні провідності.

У частково заповненій зоні провідності металу електрони можуть переходити на більш високі підрівні енергії не тільки за рахунок теплового руху, але й під дією електричного поля, що приводить електрони в упорядкований рух. Ці переходи можливі, тому що підрівні енергії в зоні розташований дуже близько один до одного і не заповнені електронами. У зв'язку з цим метали є гарними провідниками.

Напівпровідники.

Чисті напівпровідники. У напівпровідників ширина забороненої зони менша, ніж у діелектриків. У зв'язку з цим енергії теплового руху при кімнатній температурі достатньо для переводу електронів з валентної зони в зону провідності. Під впливом зовнішнього електричного поля енергія електронів у зоні провідності може збільшуватися, оскільки вони можуть переходити на більш високі незайняті підрівні енергії. У результаті виникає електронна провідність (провідність n-типу).

При переході частини електронів з валентної зони в зону провідності у валентній зоні утворяться незайняті підрівні ("вакансії"). Вакансії мають позитивний заряд. Під дією зовнішнього електричного поля частина електронів валентної зони починає рухатися, заповнюючи послідовно сусідні вакансії. Щораз після перескоку електрона на вакансію на його місці утвориться позитивний заряд. Такий механізм провідності зручно описувати як рух позитивних зарядів ("дірок"). Провідність, обумовлена спрямованим рухом дірок, називається провідністю р -типу.

Таким чином, у чистому напівпровіднику провідність має змішаний електронно – дірковий характер.

Домішкові напівпровідники. Електропровідність напівпровідників може бути обумовлена як власними електронами атомів даної речовини (власна провідність), так і електронами домішкових атомів (домішкова провідність). Домішки поділяються на донори й акцептори.

Донори мають валентність більшу, ніж валентність основних атомів напівпровідників, і створюють електронну провідність (провідність n-типу). Типовими прикладами донорів є п’ятивалентні атоми елементів п’ятої групи (P, As, Sb) у кристалах германію або кремнію, атоми яких є чотиривалентними. Впроваджуючись в кристалічну ґратку, такий атом заміщає один з атомів германія. При цьому чотири з п'яти електронів донора утворюють із сусідніми атомами германія ковалентні зв'язки, а п'ятий електрон виявляється "зайвим" і може легко перейти в зону провідності.

На рис.6a показана зонна схема для кристала германія з домішкою фосфору. Оскільки число домішкових атомів невелике і вони не взаємодіють між собою, їхні рівні енергії залишаються дискретними, не розщеплюючись в енергетичну зону. Як видно з рис.6a, рівень енергії, що відповідає п'ятому неспареному електрону фосфору, лежить у забороненій зоні поблизу дна зони провідності (W_д0.01 еВ). Тому вже при кімнатній температурі електрон може легко перейти з цього рівня в зону провідності, стаючи носієм електричного струму. Виникаюча (після відриву електрона від атома фосфору) дірка локалізована на рівні донора і не може брати участь в електропровідності. Не можуть брати участь в електропровідності і дірки, що могли б утворитися у валентній зоні. Це зв'язано з тим, що при кімнатній температурі перехід електронів з валентної зони в зону провідності утруднений, тому що ширина забороненої зони W>>W_д.