1.3 Основы зонной теории
Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев (оболочек) определяемых их энергией.
Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергетический уровень. При переходе электрона с одного разрешенного уровня на другой более отдаленный происходит поглощение энергии, а при обратном переходе ее выделение. Поглощение и выделение энергии происходит только строго определенными порциями – квантами. На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Расстояние между энергетическими уровнями уменьшается с увеличением энергии. Пределом энергетического спектра является уровень ионизации, на котором электрон приобретает энергию, позволяющую ему стать свободным и покинуть атом.
Если рассматривать структуру атомов различных элементов, то можно выделить оболочки, которые полностью заполнены электронами (внутренние) и не заполненные оболочки (внешние). Последние слабее связаны с ядром, легче вступают во взаимодействие с другими атомами. Электроны, расположенные во внешней недостроенной оболочке называются валентными.
Если атомы находятся в связанном состоянии, то на валентные электроны действуют поля электронов и ядер соседних атомов, в результате чего каждый отдельный разрешенный энергетический уровень атома расщепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг к другу. На каждом из этих уровней могут также находиться только два электрона. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной (зоны 1, 3 на рисунке 7).
Рисунок 7 – Энергетическая диаграмма
М
Рисунок 8 – Энергетическая диаграмма металла (а), полупроводника (б) и диэлектрика (в)
У полупроводников (рисунок 8,б) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии ΔWз. Величина ΔWз определяет энергию (в электрон-вольтах), которую нужно сообщить электрону, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с металлом и как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.
Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температуры кристалла, которое проявляется воздействием на электроны атомов тепловых квантов (фотонов), излучаемых при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Повышению температуры соответствует увеличение энергии фотонов и рост числа электронов, способных получить необходимую энергию для преодоления запрещенной зоны. По этой причине проводимость чистых полупроводников возрастает.
Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел, относящихся к полупроводникам, не превышает 3эВ. Их электрическая проводимость возникает при температуре выше 80 – 100 К.
Диэлектрики отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. У них ΔWз > 3эВ и может достигать 6 – 10 эВ. В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становится заметной лишь при температуре не ниже 400 – 800ºС или сильных электрических полях (пробой).