7.Зонна структура нп, її утворення. Метали, напівпровідники, діелектрики. Власні та домішкові напівпровідники. Їх зонні діаграми. Основні носії у матеріалах.

Кристалічна структура НП являє собою безліч атомів, що сильно взаємодіють між собою завдяки малим міжатомним відстаням. Тому замість сукупності дискретних енергетичних рівнів, властивих окремому атому, кристалічна структура характеризується сукупністю енергетичних зон (рис.1). Кожна зона походить від відповідного рівня, який розщеплюється при зближенні атомів. У результаті кристалічна структура характеризується зонної діаграмою, в якій дозволені зони чергуються з забороненими зонами.

Верхня дозволена зона називається зоною провідності, а розташована безпосередньо під нею - валентної зоною. При нульовій абсолютній температурі валентна зона завжди повністю заповнена електронами (точніше - всі електрони мають енергію, що відповідає валентній зоні), а зона провідності у металів або заповнена тільки в нижній частині (точніше - електрони мають енергію, що відповідає нижній частині зони провідності), або, в НП і діелектриків, порожня (точніше - немає електронів з енергією, що відповідає зоні провідності). Особливістю енергетичної (зонної) діаграми провідників (металів) є відсутність забор. зон.між зоною провідності і валентною зоною. Діелектрики характеризуються шириною забор. зон.ΔE > 3 еВ. У НП ΔE < 3 еВ (рис.2). При нульовій абсолютній температурі в бездомішко­вомуНПусі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (зона провідності не заповнена).

• Розрізняють власні та домішкові напівпровідники.

• До числа власних відносяться хімічно чисті напівпровідники. Електричні властивості домішкових НП визначаються домішками, що вводяться у матеріал штучно.

• 

• У власному НП при 0 К всі електрони зв'язані ковалентними зв'язками, це відповідає тому що всі рівні валентної зони повністю заповнені електронами, а у зоні провідності електрони відсутні. Електричне поле що прикладене до НП не може перекинути електрони з валентної зони у зону провідності. У зв'язку з цим власні напівпровідники при абсолютному нулі температури ведуть себе як ідеальні діелектрики.

• При збільшенні температури (Т>0 K) деякі валентні електрони отримують енергію, якої вистачає, щоб розірвати ковалентний зв’язок (рис. 1). На зонній діаграмі це відповідає переходу частини електронів з верхніх рівнів валентної зони в результаті теплового збудження на нижні рівні зони провідності. В цих умовах електричне поле отримує можливість змінювати стан електронів, що знаходяться у зоні провідності. Крім цього, внаслідок утворення вакантних рівнів у валентній зоні електрони цієї зони також можуть змінювати свою швидкість під дією зовнішнього поля. В результаті електропровідність НП стає відмінною від нуля. Виявляється що при наявності вакантних рівнів поведінка електронів валентної зони може бути представлено як рух позитивно заряджених квазічастинок, що отримали назву дірок. Внаслідок цього у міжатомному зв’язку виникає одиничний заряд – дірка. На енергетичній діаграмі НП це явище супроводжується виникненням вільного енергетичного рівня (рис.2).

У реальному НП процес переміщення дірки виглядає наступним чином. На місце утвореного розриву ковалентного зв’язку може перейти електрон із сусідньої ковалентної пари, і тоді відбудеться “заповнення” місця попереднього розриву та утворення дірки у новому місці. Це рівносильне переміщенню дірки. Таким чином, у чистому бездомішковому НП утворюються вільні носії заряду – електрони і дірки, тобто відбувається генерація вільних носіїв заряду. Концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.