А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Естественными полупроводниками являются диэлектрики, у которых в зоне проводимости имеется некоторое количество электронов проводимости, перещеднгих туда из валентной зоны в результате теплового движения электронов. В валентной зоне при атом образуются «дыркив. Примесные полупроводники являются диэлектриками, у которых в результате введения соответствующих примесных атомов возникают локальные (примесные1 уровни энергии, находящиеся между валентной зоной и зоной проводимости. Если с локального уровня под влиянием теплового движения электроны переходят е зону проводимости, то образуется примесный полупроводник с я-проводимостью, а если электроны переходят из валентной зоны на локальные уровни, то образуется примесный полупроводник с Р"проводимостью.
чит эксперименту. Разгадка противоречия заключается в явлении перекрытия зон. На рис. 103 изображены схема уровней атома бериллия и схема зон кристалла бериллия. Оказывается, 2К-зона и 2Р-зона кристалла бериллия перекрываются, образуя одну зону, на которой может находиться 2Х + 6Х = бХ электронов.
Фактическии же в этой зоне имеется 2Х электронов на уровнях 2$-зоньь Таким образом, благодаря перекрытию зон создалась ситуация, характерная для проводников: самая верхняя зона частично заполнена. Поэтому бериллий и другие щелочно-земельные металлы являются проводниками, а не диэлектриками. Тепловое движение атомов проводника препятствует ориентирующему действию внешнего электрического поля. Следовательно, при прочих равных условиях сила электрического тока должна уменьшаться с увеличением температуры проводника.
Это означает, что электропроводимость проводника с ростом температуры уменьшается, что характерно для проводников. Электропроводимость идеальных диэлектриков в не очень сильных полях должна быть очень близка к нулю. Можно сказать, что что электропроводимость диэлектриков равна практически нулю, помня при этом условность такого утверждения.
В действительное~и их проводимость порядка 10.- тг 10- зо См~м Естественные полупроводники. Полупроводниками называются кристаллы, электропроводимость которых лежит между электропроводимостью проводников и диэлектриков и имеет совершенно другую, чем у обычных проводников, зависимость от температуры. Представим себе, что энергетический интервал между дном зоны про- 342 13 Электронные свойстве твердых тел водимостн (ЗП) и верхом валентной зоны (ВЗ) невелик (рис.
104). Пусть в зоне проводимости электроны отсутствуют. Соответствующий кристалл должен бы гь диэлектриком. Однако из-за малости энергетического интервала между зонами часть электронов под влиянием ~силового движения в результате перераспределения энергии может быть переведена из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого создается ситуация, когда кристалл ведет себя как проводник. Проводники, у которых электропроводимость определяется этим механизмом, называются естественными полупроводниками (например, германий, кремний).
Ясно, что электропроводимость естественно~о полупроводника тем больше, чем больше электронов переведено под влиянием теплового движения в зону проводимости. Но это число растет с температурой. Следовательно, электропроводимость естественных полупроводников также возрастает с температурой и заключена в интервале 104 — 10 См/'м между проводимостью хороших проводников 1=!От См)м) и проводимостью диэлектриков 1ж!0 "+10 'о См)м). Таким образом, естественные полупроводники отличаются от диэлектриков более узкой запрещенной зоной.
У диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет несколько электрон-вольт, а у полупроводников-около 1 эВ. Например, у кремния н германия ширина запрещенных зон равна соответственно 1,! и 0,75 эВ. Следует отметить, что не только электроны, переведенные в зону проводимости, обусловливают элек~ропроводимость естественных полупроводников. В результате перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости соответствующие места в валентной зоне освобождаются — образуются дырки. Благодаря нх наличию электроны могут перераспределять свои импульсы в пределах валентной зоны. Поэтому при наличии внешнего электрического поля возникает асимметрия распределения импульсов электронов в валентной зоне, т.е. электрический ток. Перераспределение электронов в валентной зоне сопровождается соответствующим перераспределением дырок.
Дырка ведет себя как положительно заряженная частица. Возникающую в результате перераспределения дырок проводимость называют дырочной. Естественные полупроводники наряду с обычной !электронной) проводимостью обладают также и дырочной проводимостью. Прнмесные полупроводники. В реальной решетке кристалла все~да имеются дефекты, приводящие к нарушению идеальной периодичности. Можно отметить трн главных вида дефектов: а) отсутствие ионов или атомов в некоторых узлах решетки; б) наличие лишних атомов между узлами решетки; в) некоторые узлы решетки заняты не атомами основного вещества, а атомами другого вещества (примеси).
Благодаря наличию дефектов кристаллической решетки пространственная периодичность распределения потенциала будет нарушена вблизи каждого дефекта, вследствие чего изменяется состояние электронов. Как показывает более строгий расчет, при наличии дефектов может быть два типа реп~опий уравнения Шредингера: 1) аналогичные решениям в отсутствие дефектов, с отличными от нуля импульсами. Энергии, связанные с этими решениями, группируются в зоны для идеального кристалла. 1 66 Основные понятия венной теории твердых тел 343 Соответствующие состояния электронов называются зонными состояниями; 2) отличные от нуля только в области, близкой к соответствующему дефекту. В этом случае распределение электронов локализовано вблизи дефекта в очень малой области пространства. Такого рода распределение соответствует стоячим волнам.
Соответствующие электроны не в состоянии покинуть область своей локализации и движу~ся в очень малой ограниченной области пространства. Такого рода состояния называются локальными. Как показывают расчеты, уровни энергии локальных состояний лежат в области запрещенных для идеального кристалла значений энергии, т. е.
между энергетическими зонами идеального кристалла (рис. 105). Эти уровни энергии называются локальны.ми. Число локальных уровней равно числу дефектов кристалла. Общее же число состояний при этом не изменяется, т. е. сумма числа зонных и локальных состояний равна числу состояний идеального кристалла. Поэтому локальные состояния как бы оттпепляются от какой-либо зоны. В зависимости от того, от какой зоны отщепляются локальные уровни, они могут быть либо занятыми электронами, либо свободными.
Однако в обоих случаях эти локальные уровни могут обусловить возникновение электропроводимости. Пусть локальные уровни отщепились от валентной зоны вместе с соот.- ветствующими электронами и находятся между валентной зоной и зоной проводимости. Энергетические расстояния между дном зоны проводимости и локальными уровнями меньше, чем расстояние между дном зоны проводимости и верхом валентной зп ВЗ 105 Локальные уровни в полупроводнике ЗЛ 106 Донорныс уровни зоны. Такие локальные уровни называются донорными (ДУ) (рис. 106). Следовательно, электронам легче перейти из локальной зоны в зону проводимости. Если такой переход осуществляется, в зоне проводимости появляются электроны и соответствующий кристалл ведет себя как полупроводник: его электропроводимость не очень велика, и она увеличивается с температурой. Если локальные уровни отщепились от пустой зоны проводимости диэлектрика, то они свободны (рис.
107). Однако расстояние между локальными и верхними уровнями валентной зоны меньше, чем расстояние между нижними уровнями зоны проводимости и верхними уровнями валентной зоны. Такие локальные уров- ЗП Акпепторные уровни 344 13. Злвктронныв свойства твердых тел ни называются акделторлыми (АУ).
Следовательно, возможны переходы электронов из валентной зоны на локальные уровни. Если это происходит, то в валентной зоне возникают дырки. Эти дырки обусловливают проводимость кристалла за счет перераспределении импульсов электронов (и дырок) в валентной зоне. Соответствующий кристалл обладает дырочной проводимостью. Электронные полупроводники, в которых ток осуществляется преимущественно электронами зоны проводимости, называются л-полупроводниками (л-первая буква слова ледайв — отрицательный). Электронные полупроводники, в которых ток осуществляется преимущественно как бы движением дырок в валентной зоне, ведущих себя как положительно заряженные частицы, называются р-полупроводниками (р- первая буква слова ровйзо — положительный).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
