Понятие об энергетических уровнях и энергетических зонах

Электроны в одиночном атоме вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, т.е. каждый электрон атома может обладать только определенным количеством энергии. Возможные значения энергии электрона называются энергетическими уровнями. Чем дальше орбита электрона находится от ядра, тем более высокий уровень энергии соответствует этой орбите. При взаимодействии атомов энергетические уровни смещаются, образуя энергетические зоны.

Энергетические уровни валентных электронов образуют валентную зону (ВЗ). Выше ВЗ расположена зона проводимости (ЗП) – это совокупность уровней свободных электронов, потерявших связь с атомом. Между ВЗ и ЗП находится запрещенная зона (ЗЗ)– зона, которая не может быть занята электронами данного вещества.

Классификация тел по электропроводности

Все твердые тела делятся на 3 вида:

1. полупроводники (рисунок 3а);

2. проводники (рисунок 3б);

3. диэлектрики (рисунок 3в).

Электрическая проводимость материалов зависит от наличия и ширины ЗЗ.

а) б) в)

Рисунок 3 – Энергетические диаграммы материалов

У полупроводников ширина ЗЗ: , минимальная энергия ионизации ПП: ∆Wge =0,72 эВ; ∆Wsi =1,12 эВ .

У металлов отсутствует ЗЗ, следовательно, электроны даже при комнатной температуре могут свободно переходить в ЗП. Этим объясняется большая электропроводность металлов.

Поэтому, учитывая энергию электрона при комнатной температуре - 0,025 эВ, электропроводность чистого полупроводника будет незначительна.

У диэлектрика ширина ЗЗ: , следовательно, в обычных условиях его электропроводность равна нулю.

Собственная электропроводность полупроводников

В полупроводнике существует электропроводность двух видов:

1) электронная – это движение электронов в ЗП;

2) дырочная – это движение дырок в ВЗ.

Дырка – это свободный энергетический уровень в ВЗ, оставшийся на месте ушедшего электрона. Она имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Дырка может быть заполнена другим электроном – валентным, перешедшим от соседнего атома или свободным.

Процесс образования пары электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией.

Процесс исчезновения пары электрон проводимости - дырка проводимости называется рекомбинацией (рисунок 4).

Проводимость, обусловленная движением электронов в ЗП называется n- проводимостью, а движение дырок в ВЗ – р- проводимостью.

Рисунок 4 – Образование собственной электропроводности

Примесные полупроводники

Работа полупроводниковых приборов основана на явлениях примесной электропроводности. Для повышения электропроводности полупроводника в миллионы раз к нему добавляют примеси.

В зависимости от того, к какой группе валентности принадлежит атом вводимой примеси, различают донорные и акцепторные примеси.

Получение пп n-типа

Если к собственному ПП добавить атом примеси 5- ой группы валентности (фосфор, мышьяк), то 4 валентных электрона фосфора образуют 4 ковалентных связи с 4-мя соседними атомами кремния. Пятый электрон фосфора отрывается от атома и становится «свободным» носителем заряда – переходит в ЗП: О.Н. (основные носители) – электроны, Н.Н. (неосновные носители) – дырки.

Примеси 5-ой группы валентности, которые отдают свои электроны в ЗП при сообщении некоторой энергии, называются донорными.