2. Діаграма енергетичних рівнів атомів

Зонна модель атома – діаграма, яка характеризує енергетичні властивості данного атома.

Рис.2

Для кожної орбіти на діаграмі енергетичних рівнів вказується чисельне значення енергії електронів, що перебувають на ній. Один електрон-вольт (еВ) відповідає роботі електрона, що витрачається ним при подоланні різниці потенціалів, рівної 1 В.

Діаграма енергетичних рівнів відображає закони квантової механіки, з яких випливає, що кожен енергетичний рівень може бути зайнятий певним числом електронів.

Зонна модель твердого тіла

У твердому тілі (кристалі) сумісні атоми розташовані настільки близько один до кожного що між ними відбувається взаємодія. При цьому на електрони впливає не тільки ядро власного атому, а й ядра сусідніх атомів, внаслідок чого характер руху електронів змінюється. Взаємодія багатьох атомів викликає зміщення й розчеплення енергетичних рівнів електронів. При об’єднанні у твердому тілі Nоднакових атомів кожен рівень енергії розщеплюється наNблизько розташованих один до одного нових енергетичних рівнів, що утворюють дозволену енергетичну зону.

Між дозволеними зонами розташовані заборонені зони – енергетичні проміжки, що не містять енергетичних рівнів. Рівні енергії, зайняті електронами при температурі абсолютного нуля й відсутності зовнішніх впливів, утворюють у твердому тілі заповнені зони(рис.2). Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів утворюєвалентну зону(рис.2). Дозволені рівні енергії, що залишаються незайнятими при температурі нуля, становлять вільну зону.

Нижню частину вільної зони називають зоною провідності, оскільки рівні, що входять у неї, можуть займати електрони, що одержали додаткову енергію.

Шириною забороненої зони визначається електропровідність матеріалу. Таким чином, провідність тієї чи іншої речовини, визначається тією енергією, яку потрібно надати валетним електронам, що вони могли перейти зі свого нормального енергетичного рівня на вищий енергетичний рівень, що відповідає зоні провідності.

Енергетична діаграма провідника

Рис. 3

У провідників зона провідності й валентна зона перекривають одна одну, заборонена зона відсутня, і валентні електрони легко переходять у зону провідності.

Енергетична діаграма діелектрика

Рис. 4

Ширина забороненої зони велика, отже, для переходу валентних електронів у зону провідності, їм необхідно надати значну енергію.

Енергетична діаграма діелектрика

Рис. 5

Заборонена зона невелика, під дією зовнішніх факторів (тепло, світло) за рахунок зміни запасу енергії електрони можуть перейти з валентної зони у зону провідності. Електропровідність напівпровідника не стійка, й залежить від зовнішніх факторів.

2. Електропровідність напівпровідників

1. Основні властивості та характеристики напівпровідників

Напівпровідникомназивається тверда речовина, яка за значенням питомої електропровідності займає проміжне місце між провідниками й діелектриками.

З точки зору зонної теорії, напівпровідники – тверді речовини із шириною заборонено зони 0,5 .. 3 еВ.

Найбільш поширені напівпровідникові матеріали – кремній й германій, селеній фосфор, миш’як, сурма, більшість оксидів, сульфідів, сплавів типу арсенід галію, сульфід кадмію.

Питома електропровідність – величина, обернена до питомого електричного опору

.