Образование зон в полупроводниках

Полупроводник—материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкодонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным.

В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

В твердом теле и жидкости атомы находятся на очень малых рас­­стояниях друг от друга (0,3...0,5 нм). Благодаря малым меж­­­ато­мным расстояниям атомы сильно взаимодействуют между со­­бой. Для этого взаимодействия характерны две основных осо­бен­ности:

-снижается высота потенциального барьера между отдель­ны­ми атомами, при этом валентные электроны могут свободно по­ки­­­­дать собственный атом и переходить к другому атому, образуя раз­ли­ч­ные виды химической связи;

-при сближении атомов происходит расщепление уровней эне­ргий электронов в оболочках изолированных атомов в поло­сы, или зо­ны уровней (рис. 1.12, а). Явление расщепления одиночных энер­ге­ти­­ческих уро­­вней в энергетическую зону называется снятием вы­ро­ждения уро­вня. При этом каждая зона происходит от соо­т­вет­ст­вующего уро­вня, который рас­­щепляется при сближении ато­мов.

В результате распределение электронов по энергиям в твердом теле с межатомным расстоянием, равным а, ха­ра­к­­те­ризу­ет­ся так назы­ва­е­мой энергетической зонной ди­а­г­ра­м­мой, в которой разрешенные зо­ны чередуются с за­пре­щен­ны­ми зо­на­ми. На зонной диаграмме зна­чения энергии Е от­кла­ды­ва­­ю­тся на вертикальной оси, причем считается, что энергия ни­жних уро­в­­ней энергии электронов в атоме минимальна. Последняя свободная зона разрешенных энергий для элект­ро­­нов в твер­­­­дом теле, расположенная над по­л­ностью запол­нен­ной зоной, называется зоной про­во­ди­мо­с­ти.. Зо­­на разрешенных энергий, распо­ло­жен­ная под зо­­ной проводимости, назы­ва­ет­ся ва­ле­нтной зоной.. Энер­ге­ти­ческий про­ме­жуток, от­­деляющий зону проводимости от ва­лен­тной зоны, на­зы­ва­ется за­пре­щен­ной зоной