Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
0516550_F807B_lekci_z_fiziki / 21.QuantStat_Tv.Tilo.doc
Скачиваний:
18
Добавлен:
22.02.2016
Размер:
9.2 Mб
Скачать

21.7. Основні поняття зонної теорії

Поряд із дозволеною та забороненою енергетичними зонами введемо поняття валентної зони та зони провідності (вільної зони). Перша утворюється з енергетичних рівнів електронів заповнених зовнішніх оболонок атомів, а друга - або частково заповнена валентними електронами, або вільна й утворюється енергетичними рівнями вільних, відірвавшихся від атомів електронів. В залежності від співвідношення між ширинами заборонених зон та наявністю зон провідності кристалічні тіла поділяються на три групи : метали, діелектрики та напівпровідники.

Метали. Кристали металу мають частково заповнену зону провідності. Наприклад, розглянемо кристал натрію. Цей атом має 11 електронів у таких станах . Усі оболонки, крім 3s, заповнені, а в останній знаходиться один електрон. При утворенні кристала з відповідних оболонок утворюються енергетичні зони. З них - зона, що відповідає валентній оболонці, заповнена наполовину, і є зоною провідності. На відміну від Na, в атомі магніюMg, який має 12 електронів, оболонка 3s заповнена, але кристал є хорошим провідником. Це пов'язано з тим, що при утворенні кристала магнію, його кристалічне поле деформує зони так, що в результаті існує перекриття сусідніх 3s та 3p зон. У зв'язку з цим у Mg 3p зона є зоною провідності.

Діелектрики або ізолятори. У випадку, коли валентна зона заповнена повністю при TK, а зона провідності не має електронів і відстань Е між цими зонами (ширина забороненої зони) становить декілька еВ ( > 5 еВ), то кристал відноситься до діелектриків. Під дією електричного або теплового поля електрони з валентної зони не можуть перейти у зону провідності. Виключення становить електричний пробій діелектрика - електрична іонізація атомів криcтала. До таких кристалів відносяться, наприклад, NaCl із Е= 6 еВ, вуглець С із Е= 5,2 еВ та інші.

Напівпровідники (н/п). До класу н/п відносять кристали з вільною зоною провідності і повністю заповненою валентною зоною при TK, як і у випадку діелектриків, але у них ширина забороненої зони Е < 3 еВ ( див. Таблицю 1). Наприклад, кремній Sі має  Е = 1,1 еВ, германій Ge - E = 0,72 еВ, As - E=1,2 еВ, Se має Е=0,1 еВ, Те має Е=0,3 еВ і т.п. Для таких кристалів достатньо теплових енергій, щоб перевести електрон із валентної зони до зони провідності.

Під дією зовнішнього електричного поля на напівпровідник, в ньому поряд із направленим рухом вільних електронів у зоні виникає направлений рух валентних електронів по вакансіям у валентній зоні (якщо вони є), тобто без відриву від атомів.

Цікавим є утворення зон у кристалах елементів четвертої групи, наприклад, кремнію. Ці елементи мають 4 валентних електронів і їх кристали мали б бути металами, так як валентна р-зона містить два електрони на атом і заповнена лише на 1/3. Але експеримент показує, що 3р-зона розчіплюється на дві зони, одна з яких об’єднується з 3s-зоною, а друга виступає як валентна і повністю заповнена при температурі TK, тобто кремній є напівпровідником. На сьогоднішній день утворено багато бінарних сплавів, що виявляють властивості напівпровідників. Наприклад, Mg2Sn із Е= 0,3 еВ, Ag2Te із Е=0,17 еВ, GaAs із Е=1,4 еВ та багато інших.

Таблиця 1. Характеристики діелектриків та напівпровідників.

Елемент

Z

E,еВ

Енергія іонізації

атома

Бор B

5

1,1

8,4

Вуглець C

6

5,2

11.22

Кремній Sі

14

1,1

7.39

Фосфор P

15

1,5

10.3

Сірка S

16

2,5

10,31

Германій Ge

32

0,72

7,85

Мишяк As

33

1,2

9,4

Селен Se

34

1,7

9.75

Олово Sn

50

0,1

7,37

Сурма Sb

51

0,12

8,5

Телур Te

52

0,36

9,1

Йод J

53

1,25

10,44

Соседние файлы в папке 0516550_F807B_lekci_z_fiziki