4.2. Назвать три основные энергетические зоны в полупроводниках. Объяснить их отличительные свойства с точки зрения характера движения электронов.

В абсолютном большинстве случаев устройства современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводники являются разновидностью диэлектриков, можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.

Для того чтобы представить особенности полупроводниковых материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.

Любое твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных разрешенных зон.

На рис. 1.1 приведена зонная диаграмма для полупроводника. Прежде всего, следует обратить внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий, Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не могут обладать электроны в полупроводнике. ), которая разделяет разрешенные зоны Разрешенная зона — энергетическая зона или совокупность перекрывающихся в результате расщепления энергетических уровней изолированных атомов в процессе образования структуры кристалла.

Отметим, что у диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников, а у металлов разрешенные зоны сливаются, так что заращенной зоны у них нет. Ширина запрещенной зоны εз, определяющая энергетический промежуток запрещенных энергий, является важнейшим параметром полупроводника.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости. Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.

Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней оболочки атомов - внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.

По виду зонных диаграмм все материалы подразделяются на три большие группы (рис. 1.13).

Металлы, как правило, имеют частично заполненную электронами зону проводимости (рис. 1.13, а). При температуре абсолютного нуля (Т=0) металлы проводят электрический ток, поскольку в зоне проводимости имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны при приложении внешнего электрического поля.

Если зона проводимости полностью свободна от электронов, то вещество является полупроводником или диэлектриком.

В полупроводниковых материалах (рис. 1.13, б) при Т=0 все электроны находятся на энергетических уровнях валентной зоны. Энергии внешнего электрического поля Е, приложенного к полупроводнику, недостаточно для "переброса" носителей заряда в зону проводимости на разрешенные энергетические уровни этой зоны. При Т=0 полупроводник является изолятором. При Т>0 электроны, находящиеся на уровнях валентной зоны, приобретают дополнительную тепловую энергию. Появляется вероятность перехода некоторых из них в зону проводимости. Электропроводность полупроводника растет с температурой по закону.

Диэлектрические материалы в отличие от полупроводников характеризуются большой шириной запрещенной зоны .