4. Заповнення зон електронами. Провідники, діелектрики, напівпровідники

Енергетична зона має велику, але обмежену кількість енергетичних рівнів, на кожному з яких може знаходитись по два електрони з протилежними спінами. По характеру заповнення електронами валентної зони і зони провідності, а саме вони визначають електричні властивості, всі тіла поділяються на дві групи:

а ) тіла з частково заповненими зонами, рис.4.5,а;

б) тіла з повністю заповненими і зовсім вільними зонами, рис.4.5,б.

Тіла 1-ї групи являються хорошими електропровідниками. Це метали. При протіканні електричного струму електрон прискорюється електричним полем. Його енергія збільшується. На енергетичній зонній діаграмі цей процес відповідає переходу 1 ( рис.4.5,а) на більш високий енергетичний рівень. А такий перехід можливий тільки тоді, коли останній вільний. В противному разі, по принципу Паулі, таких перехід неможливий. Далі електрон стикається з атомом, дефектом кристалу, фононом, поверхнею кристалу і т. ін., тобто розсіюється. Його енергія зменшується, що відповідає переходу 2 (рис.4.5,а). А далі все повторюється. Не дивлячись на те, що електрон фактично повертається у початковий енергетичний стан, просторово він переміщується по кристалу, що на зонній діаграмі не відображається. Частково заповнені зони утворюються: 1) за рахунок перекриття валентної зони і зони провідності, тобто коли заборонена зона відсутня; 2) коли електрон переходить із валентної зони в зону провідності, долаючи заборонену зону, рис.4.5,б, перехід 3. Для такого переходу електрон повинен одержати енергію, не меншу ніж ширина забороненої зони. Зрозуміло, що чим вона більша, тим менше електронів здійснюють такі переходи і тим менша електропровідність кристалу. Тому речовини з широкою забороненою зоною являються хорошими діелектриками. Наприклад, алмаз (ΔЕ_g = 5,2 еВ), сапфір (ΔЕ_g = 7 еВ). По значенню ширини забороненої зони тіла поділяються на діелектрики (ΔЕ_g > 3 еВ) і напівпровідники (< 3 еВ). Межа 3 еВ умовна. Такий типовий напівпровідник, як сульфід цинку (ZnS) має ширину забороненої зони 3,8 еВ. Із підвищенням температури кількість електронів, здатних подолати заборонену зону за рахунок теплової енергії, збільшується, зростає електропровідність, і може настати тепловий пробій діелектрика.

Перехід 3 приводить до появи не тільки вільного електрона в зоні провідності, а і вільної дірки у валентній зоні, яка теж приймає участь в електропровідності. Така біполярна електропровідність спостерігається у власних (чистих) напівпровідниках.

Наявність домішок у напівпровідниках суттєво збільшує їхню електропровідність. Розглянемо цей механізм електропровідності. Домішкові атоми мають іншу валентність, ніж валентність регулярних атомів. Якщо вона більша, домішка називається донорною (збільшує концентрацію вільних електронів), якщо менша – акцепторною (збільшує концентрацію дірок). Наприклад, для 4-х валентного германію (Ge) 5-ти валентний миш’як (As) являється донором, а 3-х валентний індій (In) акцептором. Під дією внутрішнього поля кристалу енергія зв’язку валентних електронів сторонніх атомів зменшується і вони легко іонізуються. Енергетичний рівень домішкових атомів, як правило, знаходиться в забороненій зоні: донорної ближче до зони провідності, акцепторної до валентної зони, рис.4.6. Енергія іонізації домішкових атомів значно менше, ніж ширина забороненої зони. Наприклад, для Ge ΔЕ_g ≈ 0,7 еВ, а енергія активації індію чи миш’яку Е_D ≈ E_A ≈ 0,01 еВ. Тому раніше іонізуються домішкові атоми, ніж відбуваються переходи зона-зона.

І онізація донорних атомів приводить до появи в зоні провідності вільних електронів і нерухомих позитивних іонів донора (рис.4.6,а), а іонізація акцепторних атомів – до появи дірок у валентній зоні і нерухомих негативних іонів акцептора (рис.4.6,б). Таким чином, електропровідність домішкових напівпровідників зумовлена носіями одного знаку донорних (n-типу) електронами, акцепторних (р-типу) дірками, або кажуть домішкові напівпровідники мають уніполярну електропровідність.