Тема 5. Электронные приборы
С точки зрения электропроводности все материалы разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. В основу построения современных электронных приборов положено применение полупроводниковых материалов: – германия, кремния, арсенида-галия, индия, карбида кремния и др. Почему эти материалы названы полупроводниками? Каковы их свойства и как эти свойства используют для построения электронных приборов? Ответы на эти и другие вопросы составляют содержание данной темы.
Лекция 18. Физические свойства полупроводниковых материалов. Диоды
1. Электропроводность металлов и диэлектриков
В состав всех тел входят одинаковые по своим свойствам элементарные заряженные частицы – носители зарядов. Но различные тела обладают разными электрическими свойствами. Различие свойств обусловлено разным характером движения носителей зарядов в разных телах. В одних телах заряженные частицы под действием внешнего электрического поля могут свободно перемещаться от атома к атому. Такие тела называют проводниками. В других, под действием внешнего поля, происходит лишь небольшое смещение частиц. Эти тела называют диэлектриками.
Долгое время характер движения носителей зарядов объясняли различной степенью связи атомов в проводниках и диэлектриках. В действительности разделение тел на проводники и диэлектрики определяется различной структурой их энергетического спектра, т. е. объясняется законами квантовой механики.
В квантовой механике движение носителей зарядов объясняется принципом Паули. Согласно этому принципу, изолированный атом вещества обладает набором энергетических состояний (уровней). Набор энергетических уровней атома получил название энергетического спектра. Пример графического изображения спектра приведен на рис. 18.1, а. Разрешенный i-й уровень энергии атома обозначают символом εi. Графически ему соответствует горизонтальная линия.
Энергия электронов атома может принимать только те уровни, которые находятся в его наборе. Кроме того, электроны обладают собственным моментом количества движения (спином). Проекция спина на какую-либо ось может иметь только два значения. Это означает, что в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон с определенной ориентацией спина. Другими словами, любое энергетическое состояние атома может быть свободным или занятым, но если оно занято, то только одним электроном и не более.
При объединении атомов в кристалл образуются «кристаллические решетки». Ядра атомов занимают места в узлах решетки. Электронные оболочки атомов в большей или меньшей степени перекрываются. Теперь они принадлежат не отдельному атому, а всей решетке. Общим становится и энергетический спектр. Из каждого энергетического уровня εi возникает полоса уровней. Такую полосу называют разрешенной зоной.
Расстояние между разрешенными зонами называют запрещенной зоной. Число электронов в разрешенной зоне равно числу однородных атомов в кристалле. Однако и в разрешенной зоне каждый электрон c определенной ориентацией спина занимает свой, отличный от других электронов, уровень. Энергетический спектр кристаллической решетки принимает вид, приведенный на рис. 18.1, б.
Обозначим ширину разрешенной зоны ∆ε, а минимальный интервал между разрешенными энергетическими уровнями в этой зоне – ∆э. Тогда, согласно принципу Паули, максимальное число электронов в одной зоне не может быть больше nε = ∆ε ∕ ∆э.
Чтобы энергия кристалла была минимальной, нужно сначала заполнить самую низкую зону, затем более высокую и т. д., пока не исчерпаются все электроны. При таком размещении электронов возможны два варианта:
– электроны полностью заполнят несколько разрешенных зон, а остальные разрешенные зоны останутся свободными,
– в последней из заполняемых зон останутся незанятые уровни.
Если к кристаллу по первому варианту приложить электрическое поле, то его электроны получат дополнительную энергию и начнут ускоряться. Но перейти на более высокий энергетический уровень в пределах разрешенной зоны они не могут, так как все уровни заняты.
Чтобы перейти в свободную разрешенную зону, электронам необходимо преодолеть запрещенную зону. Если ширина запрещенной зоны большая, электроны преодолеть ее не могут. Это означает, что кристалл не имеет свободных носителей зарядов и является диэлектриком.
Ширина запрещенной зоны диэлектриков очень большая – несколько единиц эВ (больше 4 эВ). Чтобы переход стал возможным, к кристаллу нужно приложить напряжение, способное разрушить его структуру. Такое напряжение называют напряжением электрического пробоя.
Во втором варианте под влиянием электрического поля электроны ускоряются и переходят на свободный, более высокий энергетический уровень в разрешенной зоне. Это означает, что возможно протекание тока при сколь угодно слабом электрическом поле. Кристалл является проводником. Следует отметить, что ширина запрещенной зоны проводников мала, а у металлов она практически отсутствует. Поэтому проводимость металлов обычно высока.