Б. Диэлектрики (Изоляторы) 🛑
Диэлектрики практически не проводят ток.
Зонная структура:
Валентная зона полностью заполнена.
Зона проводимости полностью пуста.
Ширина запрещённой зоны ( ) очень велика (
).
Проводимость: При нормальной температуре тепловая энергия не способна перебросить электроны через такую широкую запрещённую зону. Проводимость крайне низка.
Зависимость от температуры: Проводимость очень слабо растёт с температурой, но остаётся пренебрежимо малой.
В. Полупроводники (Semiconductors) 🔄
Полупроводники имеют промежуточные свойства.
Зонная структура:
Валентная зона полностью заполнена.
Зона проводимости пуста.
Ширина запрещённой зоны ( ) мала (
,
например, для германия
,
для кремния
).
Проводимость: При низких температурах они ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры или под действием света электроны могут преодолеть малый барьер и перейти в зону проводимости, оставляя за собой дырки в валентной зоне. Таким образом, проводимость осуществляется как электронами, так и дырками.
Зависимость от температуры: Увеличение температуры резко увеличивает проводимость (сопротивление падает). Это главное отличие полупроводников от металлов.
Применение: Электрические свойства полупроводников можно контролировать с помощью легирования (введения примесей), что делает их основой всей современной электроники.
50. Собственная Проводимость Полупроводников. Электронная и Дырочная Проводимости 🔌
Собственная проводимость — это электрическая проводимость химически чистого (нелегированного) полупроводника, обусловленная парным рождением электронов и дырок в результате теплового возбуждения.
1. Механизм Собственной Проводимости
В чистых полупроводниках
(например, кремнии
или германии
),
каждый атом связан с четырьмя соседними
атомами ковалентными связями. При
абсолютном нуле (
),
все валентные электроны участвуют в
этих связях, валентная зона полностью
заполнена, и полупроводник является
диэлектриком (изолятором).
Тепловое возбуждение: При повышении температуры (
)
тепловая энергия может разорвать
некоторые ковалентные связи.Генерация пары: Электрон, получивший энергию, достаточную для преодоления малой запрещённой зоны ( ), переходит из валентной зоны в зону проводимости.
Образование дырки: Место, покинутое электроном в валентной зоне, становится незаполненным состоянием, которое называют дыркой.
Таким образом, каждый акт разрыва связи рождает одну электрон-дырочную пару.
2. Электронная Проводимость (Проводимость -типа)
Электронная проводимость осуществляется свободными электронами в зоне проводимости.
Носитель заряда: Свободный электрон (несёт отрицательный элементарный заряд,
).Механизм: Электрон, попавший в зону проводимости, легко перемещается под действием внешнего электрического поля, создавая ток.
Собственная проводимость: В чистом полупроводнике концентрация электронов ( ) равна концентрации дырок (
):
(где
— собственная концентрация носителей).
3. Дырочная Проводимость (Проводимость -типа)
Дырочная проводимость осуществляется за счёт движения дырок в валентной зоне.
Носитель заряда: Дырка (несёт положительный эффективный заряд,
).Механизм: Дырка — это не реальная частица, а вакантное место в заполненной зоне. Под действием электрического поля соседний валентный электрон перескакивает в это свободное место, заполняя дырку. При этом дырка как бы перемещается в направлении, противоположном движению электрона. Таким образом, движение дырок эквивалентно движению положительных зарядов.