2.Собственные полупроводники. Локальные уровни в запрещенной зоне.

Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. Это тела из химических элементов: германия (Ge), кремния (Si), селена (Se), теллура (Te) и химических соединений: арсенида галлия (GaAs), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InSb), карбида кремния(SiC).

На рисунке приведена зонная структура собственного полупроводника.

При T = 0 К, его валентная зона укомплектована полностью, а зона проводимости является пустой. Поэтому при Т = 0 К собственный полупроводник как и диэлектрик является изолятором.

Однако при T > 0 К благодаря термическому возбуждению электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне свободных уровней – дырок (!) На эти свободные уровни могут переходить электроны этой зоны. При наличии поля возникает ток. Ток возникает по двум причинам: 1) благодаря перемещению против поля электронов в зоне проводимости и 2) благодаря перемещению дырок по полю в валентной зоне.

Чем у́же запрещенная зона и выше температура, тем больше образуется электронов и дырок (электронно-дырочных пар) и тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.

Отметим, что в состоянии теплового равновесия электроны стремятся занять наинизшие состояния, так что в равновесии дырка оказывается у потолка валентной зоны, где ее энергия равна нулю. Увеличение энергии дырок соответствует направлению от потолка валентной зоны ко дну.

Локальные уровни в запрещенной зоне

Полупроводники практически любой степени чистоты содержат примесные атомы, которые создают собственные энергетические уровни, которые называются примесными. Эти уровни могут располагаться как в разрешенных, так и в запрещенных зонах полупроводников. Часто примеси вносят специально (легирование).

12.Автоэлектронная эмиссия

Закон термоэлектронной эмиссии с поправкой Шоттки дает очень хорошее совпадение с экспериментом вплоть до полей В/см. Однако при больших плотность тока начинает превосходить значения, подсчитанные по формуле Ричардсона-Дешмена-Шоттки. При очень больших полях ток существует даже при холодном катоде (!). Это явление – явление электронной эмиссии при холодном катоде получило название автоэлектронной эмиссии.

Явление автоэлектронной эмиссии не находит объяснения в классической механике и классической электродинамике. Оно объясняется квантовой механикой, в которой используется волновое представление электронов и прохождение электронных волн сквозь потенциальный барьер – туннелирование.

Туннелирование – туннельный эффект осуществляется с определенной долей вероятности – прозрачностью потенциального барьера: D.

Прозрачность D зависит от высоты и ширины барьера. А именно, чем выше и шире барьер, тем меньше прозрачность. Для электронов, у которых энергия , при Ɛ=0 ширина потенциального барьера равна бесконечности и D=0. При Ɛ>0 барьер имеет конечную ширину и D 0. Чем больше напряженность поля Ɛ, тем меньше ширина и высота потенциального барьера и тем больше D.

Решение задачи для плотности тока электронов, проходящих сквозь потенциальный барьер, дает для плотности тока: .

Из этого выражения следует, что плотность тока i увеличивается при увеличении напряженности электрического поля Ɛ за счет 1) множителя перед экспонентой и 2) присутствия Ɛ в показателе экспоненты.