4.1.Зонная структура полупроводников

Электроны в отдельном атоме занимают дискретные уровни энергии, но при объединении большого количества атомов в твердых телах и сближении отдельных атомов кристаллической решетки на очень близкое расстояние, эти уровни занимают положения с различными энергиями, как-бы «расщепляются», образуя так называемые энергетические зоны. То есть вместо одного уровня образуется целый набор энергетических уровней, отличающихся небольшим значением энергии. Формально это объясняется принципом Паули, согласно которому не может существовать двух совершенно одинаковых электронов, они должны отличаться, например энергией или направлением вращения. Этот набор уровней и называют энергетической зоной.

Электроны внешней оболочки атома, которые участвуют в образовании химических и электрических связей, обладают уровнями энергии, входящими в состав так называемой валентной зоны. Этими электронами атомы связаны полярной ковалентной или какой-либо другой связью, и они не могут перемещаться по кристаллу, то есть служить переносчиками электрического тока.

Но связь можно разорвать, например, путем подачи кванта энергии извне. В этом случае при наличии внешнего электрического поля электрон сможет перемещаться по кристаллу, т.е. служить переносчиком электрического тока. Электрон при этом попадает в более высокую энергетическую зону, которая называется зоной проводимости, поскольку электроны, находящиеся в этой зоне, обуславливают электропроводность.

Энергетические зоны могут перекрываться (например, в металлах), а могут быть разделены запрещенной зоной (например, в полупроводниках и диэлектриках).

В металлах сил кристаллической решетки не хватает, чтобы удержать электроны на своих местах, т.е. являясь валентными, они одновременно могут перемещаться по кристаллу. Это обстоятельство на зонной диаграмме отображается слиянием валентной зоны и зоны проводимости.

В металлах даже при температуре абсолютного нуля самопроизвольное движение электронов по кристаллу не прекращается, однако так как выделенного направления движения в отсутствии внешнего электрического поля нет, то суммарный ток равен нулю. Металл при этом будет электрически нейтральным. В них нельзя определить какой электрон, какому атому принадлежит, они общие и образуют так называемый электронный газ. Проводимость металлов чисто электронная.

У диэлектриков валентные электроны сильно связаны с кристаллической решеткой и в нормальных условиях зона проводимости пуста, вещество ток не проводит. Чтобы оторвать электрон от атома, перебросить его в зону проводимости ему требуется сообщить энергию, определяемую шириной, так называемой запрещенной зоны. Это область энергий, которой электроны не могут обладать.

У полупроводников энергетическая диаграмма имеет такую же структуру, но ширина запрещенной зоны гораздо меньше (Ge - 0,66 эВ, Si – 1,11 эВ, GaAs - 1,43 эВ), чем у изоляторов (единицы, десятки эВ). Поэтому полупроводник станет проводить электрический ток, если валентные электроны получат энергию больше ширины запрещенной зоны. Для этого полупроводник можно нагреть, подействовать внешним излучением и т.п. Теоретически это же можно сделать и с изоляторами, но при подведении соответствующих уровней энергии изоляторы, до того как стать проводниками, разрушаются.

Рис.1.2. Энергетические диаграммы металла,

изолятора и полупроводника.

В полупроводниках без каких-либо примесей (они называются собственными или полупроводниками i-типа) при температуре абсолютного нуля все уровни валентной зоны заняты электронами, а в зоне проводимости находятся полностью свободные уровни и потому полупроводник превращается в изолятор. Энергетическая диаграмма собственного полупроводника представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура энергетических зон

собственного полупроводника