Конспект_ИЭЭ_14

351

6.6.4. Проводники

Существуют два варианта строения энергетических зон в проводнике – либо зона проводимости частично заполнена (РИС. 45.7), либо она перекрывается с валентной зоной (РИС. 45.8).

1. Зона проводимости частично заполнена

Зона проводимости заполнена наполовину, есть вакантные места выше уровня Ферми. Можно создать электрический ток.

εi

2. Зона проводимости перекрывается с валентной зоной

Валентная зона (зона 2s на диаграмме РИС. 45.8) заполнена полностью, но она перекрывается с незаполненной зоной 2p. Можно создать электрический ток.

Зонная теория объясняет, почему трехвалентный алюминий проводит электрический ток хуже, чем одновалентная медь (см. диаграмму РИС. 45.9; на этой диаграмме показана только зона проводимости). Электропроводность проводника зависит не от числа свободных электронов, а от соотношения между числом электронов в зоне проводимости и числом вакантных мест в этой зоне. Не все электроны могут создавать ток.

Рис. 45.9

6.6.5. Диэлектрики

Электрический ток создать нельзя. Уровень Ферми расположен посередине запрещённой зоны (РИС. 45.10).

εg/2

Валентная

зона

f(εi) 1

Рис. 45.10

6.6.6. Полупроводники

К полупроводникам относятся кремний Si, германий Ge, теллур Te и ряд химических соединений, например, арсенид галлия GaAs. Химически чистые полупроводники – собственные полупроводники. При абсолютном нуле температуры валентная зоны полупроводника полностью заполнена, а зона проводимости – пу-

355

Лекция 46

6.6.6. Полупроводники (продолжение)

2. Примесная проводимость

а) Полупроводники n-типа (электронная проводимость)

Если в процессе изготовления монокристаллического образца кремния Si ввести фосфор P, то при образовании ковалентной связи один электрон атома фосфора не задействован (РИС. 46.1А). Это означает, что возникают дополнительные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости – донорные уровни. Они заселены и электроны с них могут переходить в зону проводимости и участвовать в создании тока (энергетическая диаграмма показана на РИС. 46.1Б).

(Так как для освобождения «незанятого» электрона требуется значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентной связи атомов кремния, энергетический уровень εд донорной примеси располагается вблизи дна зоны проводимости.)

Рис. 46.1

Расстояние от донорных уровней до дна зоны проводимости

εд 0,1 эВ.

Носители тока в таких полупроводниках – электроны.

б) Полупроводники p-типа (дырочная проводимость)

Если в монокристалл кремния Si ввести примесь бора B, то при образовании ковалентной связи примесь может захватить четвёртый электрон (РИС. 46.2А). У потолка валентной зоны появляются энергетические уровни, не занятые электронами, – акцепторные уровни. Так как расстояние εа от потолка валентной зоны до акцепторных уровней невелико, электроны из валентной зоны могут переходить на акцепторные уровни, оставляя в валентной зоне дырки (энергетическая диаграмма показана на РИС. 46.2Б).

Носители тока в таких полупроводниках – дырки.

356

Электроны могут покинуть металл в результате фото-, авто-, термоэлектронной эмиссии.

Уходящие электроны создают избыточный положительный заряд. Электрическое поле заставляет электроны вернуться назад. Поэтому вблизи поверхности металла возникает электронное облако – двойной электрический слой.

6.7.2. Контакт двух металлов

Если привести два образца, состоящих из разных металлов, в соприкосновение, то между ними возникнет электростатическое поле, характеризуемое контактной разностью потенциалов.

Когда рассматриваемые металлы изолированы друг от друга, их электронный газ характеризуется химическими потенциалами μ1 и μ2. После приведения металлов в контакт их химические потенциалы выравниваются (см. ТАБЛ. 46.1).

В полупроводнике n-типа много свободных электронов, а в полупроводнике p-типа их нет – там дырки. Из-за этого электроны из полупроводника n-типа диффундируют в полупроводник p-типа. Этот процесс продолжается до выравнивания химических потенциалов. В области p-n-перехода дырки и электроны рекомбинируют и создаётся область, обеднённая носителями заряда и обладающая большим электрическим сопротивлением. После выравнивания химических потенциалов полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а полупроводник n-типа – положительно. В области p-n-перехода для электронов и дырок образуется потенциальный барьер (РИС. 46.5А), который в равновесном состоянии носители преодолеть не могут (графики зависимости потенциальной энергии носителей от координаты x представлены на РИС. 46.5Б). Если наложить внешнее электрическое поле, то оно может либо увеличить величину барьера (обратное включение p-n-перехода), либо уменьшить её (прямое включение). Соответствующие электрические схемы и графики представлены в ТАБЛИЦЕ 46.3.