2. Основы зонной теории. Энергетические уровни. Зонная диаграмма.

Энергетические уровни отдельных атомов полупроводникового материала, объединенных в кристалл, расщепляются и образуют зоны раз­решенных энергетических состояний, отделенных друг от друга энергетиче­скими интервалами (запрещенной зоной). Этим интервалам соответству­ют значения энергии, которыми не может обладать ни один электрон.

Пусть 2^ой атом свободный, т.к. он находится далеко от первого. Затем он начинает приближаться к первому атому. На определенном расстоянии возникает кристаллическая решетка, а - период кристаллической решетки. При сближении атомов и возникновении кристаллической решетки 1^ый уровень не претерпевает каких-либо изменений. n=1- соответствует не возбужденному состоянию. Все остальные расщепляются в зоны, в системы множ энергетических уровней (подуровни). Количество подуровней соответствует количеству атомов в объеме вещества. Зоны, которые представляют собой систему подуровней наз. разрешенными зонами значений энергий (электрон может иметь энергию). Разрешенные зоны разделены запарещенными. Количество подуровней =N, на каждо уровне может находиться 2е^- , следовательно в разрешенной зоне м.б. 2N электронов

Энергетическая диаграмма собственного полупроводника показана на рисунке, где по оси ординат отложена полная энергия электрона ε, по оси абсцисс — координата электрона в твердом теле х; Δε_з— ширина запре­щенной зоны. Каждой горизонтальной прямой на диаграмме соответст­вует энергия, которую может иметь электрон, находящийся в любой точке х кристалла. Валентная зона ВЗ образуется в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов, зона проводимости ЗП— в результате расщепления уровней возбуждения и ионизации атомов. Эти две зоны разделены запрещенной зоной ЗЗ. Проводимость собственного полупроводника в равной степени определяется как электронами, так и дырками (концентрация е^- =концентрации дырок).

Однако для изготовления приборов собственные полупроводники используются редко. Обычно применяются легированные полупроводники, электропроводность которых обусловлена преимущественной концентрацией подвижных носителей, несущих либо положительный электрический заряд (дырка), либо отрицательный электрический заряд (электрон). В n-полупроводнике основной носитель заряда е^-; в р- полупроводнике основной носитель заряда дырки. В р- полупроводнике имеется акцепторный уровень, в n – донорный.

Уровень Ферми

Процесс появления свободного носителя заряда, способного принимать участие в токе, называется процессом генерации заряда.

Обратный процесс, захват электрона, уничтожение дырки, представляет процесс рекомбинации носителя заряда.

Под уровнем Ферми понимаем значение энергии ионизации атома отнесенной к одному электрону.

Все примесные уровни располагающиеся над уровнем Ферми относятся к проводнику n-типа.

Свойства

1. Т=0к уровень Ферми по своему положению совпадает с положением потолка валентной зоны.

T>0к уровень Ферми располагается в середине запрещенной зоны.

2. Примесные полупроводники. Т=0к уровень Ферми совпадает с положением уровня примесного атома.

уровень Ферми Располагается посередине между уровнем примесной зоны и потолком.

уровень Ферми перемещается в середину запрещенной зоны.

3. В любой системе состоящей из полупроводников различной проводимости и вообще из различных полупроводников в условии термодинамического равновесия уровень Ферми во всех частях системы располагается одинаковым образом.