Электропроводность полупроводников. Электроны в твердом теле не могут обладать произвольными энер­гиями

Электроны в твердом теле не могут обладать произвольными энер­гиями. Энергия каждого электрона может принимать определеннее значения, называемые уровнями энергии, или энергетическими уровнями.

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают мень­шими энергиями, т.е. находятся на более низких энергетических уровнях.

При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более вы­сокий уровень (при воздействии источников тепла, света, электричества).

В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома составляют валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах.

В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях (за пределами оболочки атома, но вблизи нее). Эти уровни составляют зону проводимости, а электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим.

Атомы вещества, отдавшие валентные электроны в зону проводимости, располагаются в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочные движение электронов проводимости, не участвующих в создании кристаллической решетки.

У металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом отдает в зону проводимости хотя бы один электрон. Поэтому число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

В диэлектриках между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень небольшое число электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную тепловую энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

У полупроводников зонная диаграмма подобна диаграмме диэлектрика, только ширина запретной зоны меньше. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют 4 валентных электрона. Их кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.