А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Расстояние между энергетическими уровнями в пределах одной и той же зоны значительно меньше расстояний между энергетическими уровнями различных зон, однакослучается, что различные зоны перекрываются.Зоны могут быть полностью заполненными электронами, полностьюсвободными и частично заполненными.
В зависимости от конкретной ситуации твердое тело обладает различными электрическими свойствами.Проводники и диэлектрики. Накаждом энергетическом уровне им пульсы электронов могут быть направлены в противоположные стороны с одинаковой вероятностью. Следовательно, при отсутствии внешнегоэлектрического поля средний импульсэлектронов в каком-либо направлении равен среднему импульсу электронов в противоположном направлении, так что полный импульс всехэлектронов равен нулю. Преимущест22'венное движение электронов в каком-либо направлении отсутствует, аследовательно, отсутствует и электрический ток.Если имеется внешнее электрическое поле, то под действием электрической силы импульс каждого электрона изменяется. Однако нельзя изменить модуль импульса, оставаясьна том же энергетическом уровне.Следовательно, под действием электрического поля возможны переходыс одного энергетического уровня надругой.
Одновременно при этих переходах импульсы перераспределяютсяпо направлениям, так что преимущественным направлением движенияэлектронов становится направление,совпадающее с направлением действия электрической силы: количествоэлектронов с импульсом против напряженности поля увеличивается, а симпульсом по напряженности п о л я уменьшается.В результате возникает асимметрия распределения скоростей электронов, т.
е. создается электрический ток.Однако осуществится ли эта возмож ность в действительности, зависит отвозможности переходов электронов содного уровня на другой с учетомпринципа Паули.Самая высоколежащая из полностью заполненных электронами зонназывается валентной. Следующаязона после валентной называется зоной проводимости. Она может бытьлибо частично заполненной электронами, либо не содержать совсем электронов. Именно характером заполнения электронами зоны проводимостиопределяется, будет ли соответствую щее кристаллическое тело проводником или диэлектриком.Пусть зона проводимости не содержит ни одного электрона.
Внешнееэлектрическое поле действует на элек-340 13. Э лектронны е свойства твердых телЗоны2р2 s-■ЧислоЪниэлектроновIЧисл0состояний15HHH2Nатом Beкристалл Be103Явление перекрытия зон у бериллия■ЗПд£"-S3104Образование проводимости у естественныхполупроводниковтроны валентной зоны и других зон,лежащих ниже валентной. Все энергетические уровни этих зон заполненыэлектронами. Принцип Паули запрещает электрону перейти в уже занятоедругим электроном квантовое состояние. Следовательно, несмотря на наличие электрического поля, переходыэлектронов в валентной зоне отсутствуют, никакой асимметрии распределения скоростей электрона не возникает и нет электрического тока. Единственная остающаяся возможностьдля переходов - это переходы электронов с уровней валентной зоны науровни зоны проводимости. Н о еслиразность энергий между зоной проводимости и валентной зоной значительна, такой переход при не очень сильных электрических полях невозможен.Таким образом, в рассматриваемомслучае внешнее электрическое поле невызывает появления электрическоготока в кристаллическом теле и, следовательно, оно является диэлектриком.В терминах зонной теории можносказать, чтодиэлектриками являю тся кристаллы,у которых отсутствуют электроны взоне проводимости.Пусть теперь зона проводимостичастично заполнена (полностью онане может быть заполненной, потомучто в этом случае, по определению,она была бы валентной зоной).
Подвлиянием внешнего электрическогополя электроны зоны проводимостимогут переходить на другие уровнитой же зоны, так как расстояние между различными уровнями одной и тойже зоны мало. При этих переходахобразуется преимущественное направление ориентации импульсов электронов, что соответствует появлениюэлектрического тока. Следовательно,соответствующий кристалл - проводник. В терминах зонной теории мож но сказать, чтопроводниками являю тся кристаллы, укоторых в зоне проводимости имею тся электроны.Резюмируя, заключаем, чтодиэлектрики и проводники отличаю тся не тем, что в одних из них электроны не могут двигаться, а в другихмогут, как это предполагалось в классической теории. Электроны с одинаковым успехом могут двигаться как вдиэлектриках, так и в проводниках.Различие между диэлектриками ипроводниками состоит в характерезаполнения зон, благодаря чему в од§ 66.
О сновны е понятия зонной теории твердых тел 341них случаях перераспределение им пульсов электронов невозможно, а вдругих - возможно.Рассмотрим кристаллическую решетку натрия, зоны которой изображены на рис. 102. Валентной зонойявляется 2Р-зона. Н а уровне 3S унатрия имеется один электрон. В3S-30He кристалла натрия может быть3 N электронов, если N - число атомовнатрия в кристалле. Однако числоэлектронов в этой зоне равно N.
Следовательно, это зона проводимости.Она заполнена лишь наполовину, икристалл натрия является проводником.При анализе электрических свойствкристаллов следует учитывать возможность «перекрытия» зон. Н апример, у щелочных м еталлов на внешнем S-уровне имеется два валентныхэлектрона. Тогда самая внешняя S-зона полностью заполнена. Значит, щелочные м еталлы с полностью заполненным S-уровнем их атом ов должныбыть диэлектриками, что противоре**Диэлектриками являются кристаллы, укоторых отсутствуют электроны в зо н епроводимости.Проводниками являются кристаллы, у которых в з о н е проводим ости имеютсяэлектроны.Естественными полупроводниками являются диэлектрики, у которых в зо н е пр оводимости имеется некоторое количествоэлектронов проводим ости, переш едш ихтуда из валентной зоны в результате теплового движения электронов. В валентной з о н е при этом образую тся «дырки».Примесные полупроводники являютсядиэлектриками, у которых в результатевведения соответствующ их примесныхатомов возникают локальные (п р и м есные) уровни энергии, находящ иеся м еж дувалентной зон ой и зон ой проводимости.Если с локального уровня п од влияниемтеплового движения электроны переходятв зо н у проводим ости, то образуется примесный полупроводник с /2-п р оводи м остью, а если электроны переходят извалентной зоны на локальные уровни, тообразуется примесный полупроводник с/^-проводимостью.чит эксперименту.
Разгадка противоречия заключается в явлении перекрытия зон. Н а рис. 103 изображенысхема уровней атом а бериллия и схем а зон кристалла бериллия. О казывается, 2S-30Ha и 2Р-зона кристаллабериллия перекрываются, образуя одну зону, на которой может находиться 2N + 6N = 8N электронов. Ф актически же в этой зоне имеется 2Nэлектронов на уровнях 2S-30Hbi. Т аким образом, благодаря перекрытиюзон создалась ситуация, характернаядля проводников: самая верхняя зоначастично заполнена. П оэтому бериллий и другие щелочно-земельные металлы являю тся проводниками, а недиэлектриками.Тепловое движение атом ов проводника препятствует ориентирующему действию внешнего электрического поля.
Следовательно, при прочихравных условиях сила электрическоготока должна уменьшаться с увеличением температуры проводника. Этоозначает, что электропроводимостьпроводника с ростом температурыуменьшается, что характерно дляпроводников. Электропроводимостьидеальных диэлектриков в не оченьсильных полях должна быть оченьблизка к нулю. М ожно сказать, чточто электропроводимость диэлектриковравна практически нулю, помня приэтом условность такого утверждения.В действительности их проводимостьпорядка 10- 1 2 — Ю-20 См/м.Естественные полупроводники. Полупроводниками называю тся кристаллы, электропроводимость которыхлежит между электропроводимостьюпроводников и диэлектриков и имеетсовершенно другую, чем у обычныхпроводников, зависимость от температуры.П редставим себе, что энергетический интервал между дном зоны про342 13 Э лектронны е свойства твердых телводимости (ЗП) и верхом валентнойзоны (ВЗ) невелик (рис. 104).
Пусть взоне проводимости электроны отсутствуют. Соответствующий кристаллдолжен быть диэлектриком.Однако из-за малости энергетического интервала между зонами частьэлектронов под влиянием тепловогодвижения в результате перераспределения энергии может быть переведенаиз валентной зоны в зону проводимости. В результате этого создается ситуация, когда кристалл ведет себя какпроводник. Проводники, у которыхэлектропроводимостьопределяетсяэтим механизмом, называются естественными полупроводниками (например, германий, кремний).Ясно, что электропроводимостьестественного полупроводника тембольше, чем больше электронов переведено под влиянием теплового движения в зону проводимости. Но эточисло растет с температурой.
Следовательно, электропроводимость естественных полупроводников также возрастает с температурой и заключена винтервале 104 — 10“ 7 С м /м междупроводимостью хороших проводников(ж 107 См/м) и проводимостью диэлектриков (даЮ -12 + 10~2° См/м).Таким образом, естественные полупроводники отличаю тся от диэлектриков более узкой запрещенной зо ной. У диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет несколькоэлектрон-вольт, а у полупроводник о в -о к о л о 1 эВ. Например, у кремнияи германия ширина запрещенных зонравна соответственно 1,1 и 0,75 эВ.Следует отметить, что не толькоэлектроны, переведенные в зону проводимости, обусловливаю т электропроводимость естественных полупроводников.
В результате перехода части электронов из валентной зоны взону проводимости соответствующиеместа в валентной зоне освобож даю тся-о б р а зу ю т ся дырки. Благодаря ихналичию электроны могут перераспределять свои импульсы в пределах валентной зоны. Поэтому при наличиивнешнего электрического поля возникает асимметрия распределенияимпульсов электронов в валентнойзоне, т. е.
электрический ток. Перераспределение электронов в валентнойзоне сопровождается соответствую щимперераспределениемдырок.Ды рка ведет себя как положительнозаряженная частица. Возникающую врезультате перераспределения дырокпроводимость называю т дырочной.Естественные полупроводники наряду с обычной (электронной) проводимостью обладаю т также и ды рочной проводимостью.Примесныеполупроводники.Вреальной решетке кристалла всегдаимеются дефекты, приводящие к нарушению идеальной периодичности.М ожно отметить три главных видадефектов:а) отсутствие ионов или атом ов внекоторых узлах решетки;б) наличие лишних атом ов междуузлами решетки;в) некоторые узлы решетки заняты не атом ам и основного вещества, аатом ам и другого вещества (примеси).Благодаря наличию дефектов кристаллической решетки пространственная периодичность распределения потенциала будет нарушена вблизи каждого дефекта, вследствие чего изменяется состояние электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
