Энергетическая диаграмма твердого тела

 

В 1890г. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой электроны в атоме не могут обладать произвольной энергией.

 

Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона – так называемый разрешенный энергетический уровень.

 

Энергия, которой не может обладать электрон, соответствует запрещенному энергетическому уровню.

 

Все это относится к одному изолированному атому. Но твердое тело состоит из множества атомов, которые расположены настолько близко друг к другу, что на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов.

В результате взаимодействия многих атомов происходит расщепление энергетических уровней на подуровни.

 

Совокупность энергетических уровней свободных электронов образует зону проводимости (ЗП).

 

Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону (ВЗ).

 

Энергетический промежуток, не содержащий энергетических уровней, называется запрещенной зоной.

 

Энергетическая диаграмма твердого тела выглядит:

 

Зона проводимости

- запрещенная зона

Валентная зона

(безразмерная величина)

– это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в .

 

Ширина запрещенной зоны определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

 

Ширина запрещенной зоны влияет на электропроводность:

1) если - данное вещество является диэлектриком;

2) если - данное вещество является полупроводником;

3) если - данное вещество является проводником.

Таким образом, в проводнике запрещенная зона отсутствует.

 

Основные элементы, используемые в полупроводниковых приборах:

Элемент (соединение)	Ширина запрещенной зоны
Германий (Ge)
Кремний (Si)
Арсенид галлия (GaAs)

 

 

Внутреннее строение полупроводников

 

Атомы твердого вещества размещены в строго определенной последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя так называемую кристаллическую решетку.

Связь соседних атомов друг с другом с помощью 2-х валентных электронов называется ковалентной связью.

Т.к. германий и кремний - четырехвалентны, то каждый атом этих элементов образует 4 ковалентные связи с четырьмя соседними атомами.

В двухмерном пространстве (на плоскости) кристаллическая решетка германия или кремния будет выглядеть:

(Большой кружок означает атом. Цифра 4 говорит о том, что полупроводник четырехвалентен. Маленькие черные кружочки означают валентные электроны. Пара прямых линий с двумя электронами означает ковалентную связь.)

 

Известно, что при абсолютном нуле у чистого (т.е. беспримесного) полупроводника электропроводность отсутствует (нет свободных элнетронов).

Это связано с тем, что все электроны участвуют в ковалентных связях.

При комнатной температуре часть валентных электронов получает тепловую энергию, достаточную для отрыва от атома, и переходит из ВЗ в ЗП, т.е. становятся свободными.

При этом ковалентная связь оказывается неполной (вместо 2-х валентных электронов присутствует 1).

Отсутствие электрона в ковалентной связи называется Муриным.

Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды (имеют

такой же по величине заряд, как и электроны, только со знаком «+»).

Процесс образования пары (свободный электрон + дырка) называется генерацией.

Дырка может быть заполнена другим электроном – валентным или свободным.

В первом случае валентный электрон переходит на место дырки из соседней ковалентной связи, образуя дырку в новом месте.

Таким образом, дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупроводнике, т.е. являются носителями заряда.

Во втором случае исчезают два носителя заряда: свободный электрон и дырка.

Процесс заполнения дырки свободным электроном называется рекомбинацией.

Рекомбинация – это процесс восстановления разорванной ковалентной связи, т.е. процесс, обратный генерации.