Валентная зона и зона проводимости.
Последняя свободная зона разрешенных энергий для электронов в твердом теле, расположенная над полностью заполненной зоной, называется зоной проводимости. Зона разрешенных энергий Wg2, расположенная под зоной проводимости, называется валентной зоной. Эта зона при абсолютном нуле температуры полностью заполнена валентными электронами. В химии валентными электронами называют электроны, находящиеся на внешней, или валентной,оболочкеатома. Валентные электроны определяют поведениехимического элементавхимических реакциях.Энергия электрона, соответствующая верхней границе валентной зоны, обозначаетсяWv. Электроны валентной зоны дают вклад в энергию связи твердого тела, его диэлектрическую проницаемость, определяют поглощение света. Под влиянием теплового 
движения (Т>0), а также внешних воздействий в верхней части валентной зоны образуются дырки, участвующие в электропроводности.
Заполнение зон в металлах, диэлектpиках и полупpоводниках.
Металлы первого рода имеют частично заполненную электронами зону проводимости При температуре абсолютного нуля (Т=0) металлы (рис. 2, а) проводят электрический ток, поскольку в зоне проводимости имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны при приложении внешнего электрического поля. В металлах второго роданаблюдается перекрытие зоны проводимости и валентной зоны. Если зона проводимости полностью свободна от электронов, то вещество является полупроводником или диэлектриком.В полупроводниковых материалах при Т=0 все электроны находятся на энергетических уровнях валентной зоны. Энергии внешнего электрического поля Е, приложенного к полупроводнику, недостаточно для "переброса" носителей заряда в зону проводимости на разрешенные энергетические уровни этой зоны (рис. 2, б). При Т=0 полупроводник является изолятором. При Т>0 электроны, находящиеся на уровнях валентной зоны, приобретают дополнительную тепловую энергию. Появляется вероятность перехода некоторых из них в зону проводимости. Проводимость полупроводника растет с температурой по законуs=so exp(-DWg /2kTгде so - постоянный коэффициент, имеющий размерность проводимости; k=8.62×10-5 эВ/К - постоянная Больцмана; DWg - ширина запрещенной зоны полупроводника.В зонной теории энергию W принято измерять в электрон-вольтах (эВ). Для перевода значения энергии из джоулей в эВ следует правую часть выражения (1.7) умножить на коэффициент 1,6×10-19, поскольку 1 эВ=1,6×10-19 Дж. Диэлектрические материалы в отличие от полупроводников характеризуются большой шириной запрещенной зоны (DWg>3 эВ). Поэтому диэлектрики практически не проводят электрический 
ток вплоть до температур 450... 500 К. Дальнейший рост температуры ведет к незначительному увеличению электропроводности.
|
|
|
|
|
|
Собственная пpоводимость полупpоводников
В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников.При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. Электроны проводимости и дырки - два типа свободных носителей заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах их концентрации равны, т.к. превращение одного из валентных электронов в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки. Проводимость σ полупроводников, обусловленная электронами атомов данного вещества (так называемая собственная проводимость), определяется следующим выражением: 
где е — элементарный заряд,n — концентрация носителей заряда, μ — подвижность носителей заряда, равная отношению скорости направленного движения, вызванного электрическим полем (дрейфовой скоростью) νдр, к напряженности поля Е.
Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.
|
|
|
Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также заполнена целиком. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов изолированных атомов.
В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая, изображенные на рис. 314. На рис. 314, асамая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т. е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т. е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутризонный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения kT»10–4 эВ, т. е. гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10–22 эВ). Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.
|
|
|
Твердое тело является проводником электрического тока и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (рис. 314, б). Это имеет место для щелочноземельных элементов, образующих II группу таблицы Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn, ...). В данном случае образуется так называемая «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Следовательно, в данном случае металлические свойства щелочноземельных элементов обусловлены перекрытием валентной и свободной зон.
Помимо рассмотренного выше перекрытия зон возможно также перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо двух частично заполненных зон в кристалле окажутся одна полностью заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны DЕ.
Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах (рис. 314, в). Если запрещенная зона достаточно узка (DЕ порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию DЕ, и кристалл является полупроводником (рис. 314, г).
Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl DЕ=6 эВ), для полупроводников — достаточно узка (например, для германия DЕ=0,72 эВ). При температурах, близких к 0 К, полупроводники ведут себя как диэлектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.
44,45.
Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительнго иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов связанных электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения связанных электронов воспринимается как перемещение поло-жительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.
В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Именно поэтому примесь называется донорной. Преобладает электронная проводимость, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь — это примесь с меньшей чем у кристалла валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Преобладает «дырочная» проводимость, а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».
р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—n-контакт будет проводить ток, электроны из n-области пойдут в p-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 22). В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если к р-области подключить «-» источника, а к n-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет.
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 127; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!