Металлы, диэлектрики и полупроводники

С точки зрения зонной теории электропроводность зависит от: а) заполнения электронами разрешенных зон; б) ширины запрещенных зон.

Возможны четыре зонные диаграммы:

Здесь ЗЗ – запрещенная зона, ВЗ – валентная зона, СЗ – свободная зона.

а) валентная зона заполнена частично, в ней имеются вакантные уровни и электроны, получив малую порцию энергии (≈ В) при нагревании или действии электрического поля, переходят на более высокий уровень в этой же зоне, отрываются и участвуют в электрическом токе. Таким образом, валентная зона при частичном заполнении является зоной проводимости, а кристалл с частично заполненной зоной – проводником. Такая кристаллическая структура у металлов;

б) в некоторых металлах (Be, Mg и др. щелочноземельной группы) и смесях металлов валентная и свободная зоны перекрываются (как на расстоянии r₂графика), что приводит к частичному заполнению полученной гибридной зоны и возвращению к случаю а).

в) диэлектрик: валентная зона заполнена полностью. Ширина ∆Е запрещенной зоны велика, энергии теплового движения недостаточно для перехода ē из валентной зоны в свободную (которая была бы зоной проводимости). При попытке искусственно перевести электроны в свободную зону при помощи электрического поля происходит пробой диэлектрика;

г) полупроводник: валентная зона заполнена полностью, свободная зона пуста, ∆Е запрещенной зоны мало (≈1эВ), тепловое движение может перевести ē из валентной зоны в свободную, которая станет зоной проводимости.

При Т=0К: у металлов электроны частично заполняют валентную зону (она же и зона проводимости); у диэлектриков валентная зона заполнена полностью, зона свободная

(проводимости) – пуста, ширина запрещенной зоны ∆Е ≈ 6 эВ; у полупроводников валентная зона заполнена полностью, свободная (проводимости) – пуста, ширина запрещенной зоны ∆Е ≈ 0,7 э В (германий), при нагревании часть электронов может перейти в зону проводимости.

Собственная проводимость полупроводников (п/п)

Атом п/п (Si или Ge) имеет на внешней оболочке четыре валентных электрона и образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Все атомы связаны, свободных зарядов нет, кристалл является изолятором.

При нагревании, некоторые электроны становятся свободными, превращая атомы в положительные ионы. Говорят, что на месте электрона образуется дырка (“+” заряд).

Генерация ­– процесс образования свободных носителей заряда (электронов и дырок).

· Дырку может заполнить электрон, оторвавшийся от соседнего атома т.е. говорят, что дырка движется (хаотически).

Рекомбинация – исчезновение двух свободных носителей (электрона и дырки) при их встрече.

· Генерация и рекомбинация находятся в состоянии динамического равновесия.

· В чистом полупроводнике число электронов равно числу дырок.

· Вероятность генерации растет при нагревании.

· Каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация электронов и дырок.

· Под действием внешнего электрического поля электроны движутся против ,

дырки – по .

Собственная проводимость полупроводника – проводимость,

обусловленная как электронами, так и дырками.

Распределение электронов по уровням:

· μ (уровень Ферми) находится посредине ∆Е.