Энергетическая диаграмма вещества

       Электроны в веществах расположены на определённых уровнях энергии (чем дальше от ядра, тем больше внутренняя энергия электрона W). Уровни группируются в зоны. Их можно изобразить на энергетической диаграмме:

       Зона проводимости – зона, где находятся электроны способные создавать ток.

       Запрещённая зона – зона, в которой электроны находиться не могут.

       Валентная зона – зона электронов, способных участвовать в связях между атомами.

 

Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков

       У проводников (медь, алюминий, железо, серебро, золото и др.) нет запрещённой зоны. Электроны в них легко переходят из валентной зоны в зону проводимости. Из-за этого все валентные электроны металлов отделены от их атомов. Поэтому проводники хорошо проводят электрический ток.

       В полупроводниках (кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др.) есть запрещённая зона. Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, к электрону необходимо приложить энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны DW. Эту энергию можно подать в виде тепла, света или излучения. Поэтому ток в полупроводниках сильно зависит от этих трёх факторов.

       В диэлектриках (воздух, стекло, керамика, бумага и др.) запрещённая зона велика. Электроны почти не отрываются от атомов. Поэтому диэлектрики плохо проводят ток.

           

 

Полупроводники

 

По наличию примесей полупроводники делят на:

       - собственные (i-типа) – почти не содержат примесей;

       - примесные – делят на:

                   - донорные (электронные, n -типа) – содержат примеси с валентностью 5;

                   - акцепторные (дырочные, p-типа) – содержат примеси с валентностью 3.

       Примеры донорных примесей: фосфор, мышьяк, сурьма.

       Примеры акцепторных примесей: бор, индий, галлий.

       Даже незначительная концентрация примесей сильно влияет на проводимость полупроводников. Поэтому примесные полупроводники проводят ток лучше, чем собственные.

Собственные полупроводники

       По своей структуре кремний и германий представляют из себя кристаллическую решётку. Каждый атом кремния (Si) связан с четырьмя другими за счёт ковалентных связей:

Ковалентная связь – это связь двух атомов за счёт двух электронов.

Чем выше температура, тем сильнее колеблются атомы. Из-за этих колебаний валентный электрон может отделиться от атома, становясь тепловым электроном проводимости n_i. На его месте образуется тепловая дырка p_i.

       Дырка – это положительно заряженная незаполненная ковалентная связь.

       Генерация – процесс разрыва ковалентной связи, в результате которого образуются тепловые электрон n_i и дырка p_i.

       На место дырки может притянуться валентный электрон из соседней ковалентной связи. Таким образом, дырка, как и электрон, может перемещаться по кристаллу.

       Рекомбинация – процесс восстановления ковалентной связи, в результате которого тепловые электрон и дырка соединяются.

       В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок равны.

 

Примесные полупроводники

Донорные полупроводники

 

       Пример донорного полупроводника – кремний (Si) с примесью фосфора (P):

       Фосфор пятивалентен. Четыре его валентных электрона соединены с атомами кремния ковалентными связями, а пятый – легко отделяется от атома. Он называется примесным донорным электроном N_д. На его месте дырки не образуется, так как этот электрон не участвует в ковалентных связях.

       Кроме того, в примесных полупроводниках, как и в собственных, происходят генерация и рекомбинация и образуются тепловые электроны и дырки n_i и p_i, но их значительно меньше, чем примесных электронов.

       Основными носителями зарядов в донорных полупроводниках являются электроны, а неосновными – дырки.

           

Акцепторные полупроводники

 

       Пример акцепторного полупроводника – кремний (Si) с примесью бора (B):

       Бор трёхвалентен. Три его валентных электрона соединены с атомами кремния ковалентными связями, а на месте 4-й ковалентной связи образуется примесная акцепторная дырка N_а, на место которой может перейти электрон из соседней ковалентной связи.

       Как и во всех остальных полупроводниках, в акцепторных также образуются тепловые электроны и дырки n_i и p_i, но их концентрация меньше, чем примесных.

       Основными носителями зарядов в акцепторных полупроводниках являются дырки, а неосновными – электроны.