Зонная структура полупроводнков

Сближение атомов в твердом теле на расстояние порядка размеров самих атомов приводит к тому, что внешние (валентные) электроны теряют связь с определённым атомом — они движутся по всему объему кристалла, вследствие чего дискретные атомные уровни энергии расширяются в полосы (энергетические зоны, рис.П1). Зоны разрешенных энергий могут быть отделены друг от друга зонами запрещенных энергий, но могут и перекрываться. Глубинные атомные уровни расширяются незначительно, уровни, соответствующие внешним оболочкам атома, расширяются настолько, что соответствующие энергетические зоны обычно перекрываются. Индивидуальность зон, однако, сохраняется: состояния электронов с одной и той же энергией, но принадлежащие разным зонам, различны.

Рис.П1. Расщепление энергетических уровней в кремнии

В соответствии с принципом Паули в каждом энергетическом состоянии может находиться не более двух электронов. Поэтому в каждой энергетической зоне кристалла может поместиться не более 2N электронов, где N — число уровней в зоне, равное числу элементарных ячеек кристалла. При Т = 0 К все электроны занимают наиболее низкие энергетические состояния.

Существование с различными электрическими свойствами связано с характером заполнения электронами энергетических зон. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие вещества не проводят электрического тока, то есть являются диэлектриками (рис. П2, а). Тела, имеющие зоны, частично заполненные электронами, — проводники электрического тока — металлы (рис. П2, б).

Полупроводники представляют собой диэлектрики (нет частично заполненных зон при Т=0 К) со сравнительно малой шириной запрещенной зоны между последней заполненной (валентной) зоной и первой свободной — зоной проводимости, (рис. П2, в). Наличие дефектов и примесей в кристалле приводит к возникновению дополнительных (примесных) энергетических уровней, располагающихся в запрещенной зоне. У полупроводников эти уровни часто расположены очень близко либо от валентной зоны (рис. П2, д), либо от зоны проводимости (рис. П2, г).

Вещества с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости называется полуметаллами (например, у Bi ширина перекрытия ~ 10^-5ширины зоны).

Существуют бесщелевые полупроводники, у которых зона проводимости примыкает к валентной (например, сплавы Bi — Sb, Hg — Те с определённым соотношением компонент).

Рис.П2. Зонные диаграммы

Возбуждение электронной системы кристалла заключается в приобретении электроном энергии, благодаря чему он оказывается в зоне проводимости, где в основном состоянии электрона не было. Одновременно возникает свободное место (дырка) в валентной зоне, занятой электронами в основном состоянии. Так как электрон и дырка движутся независимо, то их следует считать различными квазичастицами. Другими словами, возбуждение электронной системы заключается в рождении пары квазичастиц — электрона проводимости и дырки.

При Т > 0 К тепловое движение выбрасывает часть электронов из валентной зоны в зону проводимости (т. е. разрушает часть химических связей).

Носители тока в полупроводниках сосредоточены, как правило, в довольно узких областях энергий: электроны - вблизи нижнего края (дна) зоны проводимости E_c, на энергетических расстояниях ~kT от неё, дырки - в области такой же ширины вблизи верхнего края (потолка) валентной зоны E_v.