электровакуум.приборы (1084498), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В силу этого электроны могут двигаться вокруг ядра только по определенным орбитам. Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона нли разрешенный зкергегический уровень. Разрешенные !5 ГЧ 77 Рн. 17Е и чэгрэмма уравнен энергии этома водорода Рнс. 1.3. Энергетические уровни авзмэ н энергети- ческие зоны кристалла 70 энергетические уровни отделены друг б от друга запрещенньини интервалами.
На рис. 1.2 схематически изображен б энергетический спектр электронов в Ч атоме водорода. По оси ординат откладывается значение энергии в элект- 7 рон-вольтах. Уровни, соответствующие 0 различным квантовым числам, изобра- жены горизонтальными линиями. Самый нижний уровень (п = 1) соответствует состоянию атома с наименьшей возможной энергией, он называется основным. Верхний уровень (п= ) соответствует энергии иониэации И' = 13,53 эВ. Такую энергию необходимо затратить для отрыва от ядра электрона, находящегося на основном уровне.
Уровни с и ~ 2 называются возбужденными. При отсутствии внешних воздействий атом находится в основном (невоэбужденном) состоянии и его электрон расположен на ближайшей к ядру орбите. Поглощение энергии атомом сопровождается переходами электрона на один из возбужденных уровней. Подобные переходы электрона называются возбуждением, а сам атом возбужденным. В возбужденном состоянии атом находится очень короткое время, приблизительно 1О с, после чего электрон возвращается непосредственно на основной вень или, задерживаясь на промежуточных уровнях, испускает при н й уроэтом энергию в виде фотонов, 15. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Наши ши рассуждения относились к изолированному атому, в котором электрон может занимать один из ряда дискретных энергетических уровней. При объедянении Ф атомов (например, для образования кристалла) между ними возникает сильное взаимодействие, которое при. водит к расщеплению энергетических уровней. Из каждого энергетического уровня, соответствующего квантовому числу п, получается полоса близко расположенных уровней (по числу Ф взаимодействующих атомов — следствие принципа Паули) . Совокупность группы этих близко расположенных уровней образует энергетическую зону.
Таким образом, вместо системы дискретных энергетических уровней атома в кристалле появляется система энепгетических эон ( ис. 1.3). Вк ристалле'твердого тела объемом 1 см содержится приблизительи (р с. но 10з' — '"'з — 10 атомов, Учитывая, что ширина энергетической зоны не 16 и= 3 о=7 я=7 Рнс. 14. Схэмэтнчсскос изображение структуры энергетических зон твердого тела превышает единиц электрон-вольт, можно считать, что соседние уровни отличаются по энергии примерно на 10з эВ.
Следовательно, энергетические уровни образуют в зоне практически непрерывный спектр. Разрешенные энергетические зоны отделены интервалами энергий, которые электрон не может иметь. Эти интервалы энергий назьваются запрещенными энергетическими зонами. Ширина запрещенных зон определяется природой атомов, образующих кристалл, а также строением и состоянием атомов, образующих монокристюгл. На рис. 1.4 показано схематическое изображение энергетических эон твердого тела при температуре абсолютного нуля. 1 — разрешенная энергетическая зона, называемая заполненной. В этой зоне все уровни заняты электронами. Верхнюю часть заполненной зоны называют валенгнои 1 . 3 — разрешенная энергетическая зона незаполненных уровней, называемая свободной зоной. Нижняя часть этой зоны, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, носит название зоны проводимости 3 .
Между нижним уровнем (дном) зоны проводимости Ис и верхним уровнем (потолком) валентной зоны Ит расположена зона запрещенных энергетических уровней (запрещеннал зона) 2, Ширина запрещенной зоны 71И' является одним из важнейших параметров, определяющих электрические свойства твердого тела, например его электропроводносгь. Для изображения энергетических зон твердого тела (проводников, полупроводников и диэлектриков) воспользуемся упрощенными диаграммами (рис.
1.5), на которых указаны валентиая, запрещенная зоны и зона проводимости. Нижняя часть заполненной зоны на диаграммах не показана, так как электроны, находящиеся в этой области, участия в электропроводности не принимают. 17 и,эВ зу, эВ эв а) б7 в) Рис. 1.5. Диаграммы энергетических зон проводника (а), диэлектрика (б) „полупроводника (в): 1 — вапенгная зона; 2 — запрещенная зона; 3 — зона проводимости В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются и электроны из валентной зоны могут легко переходить в зону проводи. мости при любой температуре, т. е. могут участвовать. в процессе злектропроводности. В диэлектриках и полупроводниках валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной ЬИ'.
При температуре абсолютного нуля в зоне проводимости этих веществ электронов нет и, следовательно, электропроводность отсутствует. У диэлектриков ширина зоны Ьй' велика (не менее 3 зВ). Поэтому в обычных условиях переход электронов в зону проводимости маловероятен. Такие тела не способны проводить электрический ток и являются изоляторами. В полупроводниках ширина запрещенной зоны относительно мала (около 0,5 — 3 эВ) . При таком значении айги температуре, отличной от абсолютного нуля, возможен переход некоторого числа электронов из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны обусловливают в полупроводнике электронную проводимость, или проводимость и- гила (от латинского слова цейатгие — отрицательный). Одновременно в валентной зоне из.за ухода электронов появляются свободные уровни (электронные вакансии) .
Соседний электрон в валентной зоне может занять этот уровень, создав тем самым новый вакантный энергетический уровень и т. д. Смещение электронов в вапентной зоне эквивалентно движению в противоположном направлении некоторой частицы— "дырки", имеющей цо отношению к электрону положительный заряд. Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то перемещение дырки станет направленным, Этот вид проводимости полупроводника называется дырочной, или проводимостью р-тына (от латинского слова роаПРуе — положительный) .
Процесс одновременного образования электрона и дырки называется генерацией электронно-дьерочных лпр. Обратный процесс соединения электрона с дыркой называется рекомбинаиией. В химически чистом полупроводнике концентрация дырок в валентной зоне равна концентрашпи электронов проводимости. Электропро- 18 Рис. 1,6. Энергетические диаграммы полупроводника: а — с цонорной примесью; б — с акцепторной примесью (1 — валентная зона; 2 — запрещенная зона; 2 — зона проводимости; 4 — валенгные уровни Лонорных атомов; 5 — свобоциые уровни акцепгорных атомов) водиость, обусловленная одновременным участием в проводимости электронов и дырок, называется собственной проводимостью полупроводника г -гила (от слова штг(лз!с — собственный) .
Равенство концентраций электронов и дырок может нарушиться из-за наличия атомов примесей. Если преобладает концентрация одного из типов носителей заряда (электронов или дырок), то злектропроводность полупроводника называется прической проводимостью. Примеси бывают двух видов: г)онорные и акцеигорные. Донорные примеси (доноры) отдают свои электроны и создают в кристалле полупроводника электронную проводимость (полупроводник типа и) . Энергетические уровни, создаваемые донорными примесями, располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис.
1.6, а) . Атомы акцепторной примеси принимают на свои уровни валентные электроны и тем самым обусловливают появление дырок. В результате создается дырочная проводимость полупроводника (полупроводники типа р). Свободные энергетические уровни, создаваемые акцепторной примесью, расположены в запрещенной зоне вблизи потолка взлентной зоны (рис. 1.б,б). Дпя ионизации примесных атомов требуется значительно меньшая энергия, чем для перехода электронов из валеитной зоны в зону проводимости. 1.6.
РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ Согласно квантовой статистике Ферми — Дирака функция распределения электронов метзлла по энергиям имеет вид, показанный иа рис. 1.7. По оси абсцисс отложена энергия электронов )Р, по оси ординат — количество электронов Ф; на рис. 1.7 обозначено: И'Р— уровень (энергия) Ферми — максимально возможная энергия электронов в метзлле при температуре абсолютного нуля.
19 якпю Рне. 1.7, Распределение свободных электро- нов в проводнике по энергиям х'~ Из рис. 1.7 видно (кривая 1), что при температуре абсолютного нуля наибольшее число электронов в проводнике имеет максимально возможную энергию ИР. Энергия Ферми зависит от концентрации электронов проводимости в металле и определяется выражением: где И вЂ” постоянная Планка; лте — масса электрона; Х вЂ” число свободных электронов в 1 см металла. В зависимости от числа тт' энергия ЬРР принимает значения от единиц зВ (цезий, калий, натрий) до десятка эВ (алюминий, вольфрам и др.). Несмотря на то что электроны внутри металла обладают при температуре абсолютного нуля значительными энергиями, выхода их за поверхность метвлла не наблюдается, Выходу электронов из металла препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
