1. Диэлектрики, полупроводники и проводники
При связывании атомов и формировании твердого тела энергетические уровни
отдельных атомов расширяются и образуют зоны с щелями между ними. Элек¬троны
могут иметь значения энергии только лежащие внутри какой-либо зоны, а не
приходящиеся на промежутки между ними. Нижележащие зоны, соответст¬вующие
внутренним электронным уровням атомов, более узкие и заполнены электронами до
конца, так что они не оказывают влияния на электронные свой¬ства материала. Они
не показаны на рисунках. Внешние, или валентные элек¬троны, которые и связывают
кристалл в единое целое, занимают так называемую валентную зону. У диэлектриков
валентная зона заполнена электронами, кото¬рые не могут перемещаться, так как их
положения зафиксированы в химических связях. Материал является диэлектриком, так
как не существует делокализованных электронов, способных являться носителями
тока. Зона проводимости рас¬положена по энергиям намного выше валентной зоны,
как показано на рис. 2.11а, так что она недоступна тепловым флуктуациям, и
остается практически пустой. Другими словами, при комнатной температуре Т= 300 К
тепловой энер¬гии недостаточно для переброски сколько-нибудь значительной части
электро¬нов из валентной зоны в зону проводимости, так что их количество в
последней пренебрежимо мало. Еще один вариант изложения этого факта таков:
ширина энергетической щели Eg много больше величины тепловой энергии kвТ, где kв
— постоянная Больцмана.
У полупроводников щель между валентной зоной и зоной проводимости много меньше,
как показано на рис. 2.11б, так что Eg ближе к тепловой энергии kвТ. При
комнатной температуре тепловое возбуждение может забросить часть электро¬нов из
валентной зоны в зону проводимости, где они принимают участие в перено¬се
заряда, то есть в электрическом токе. Плотность электронов, достигающих зоны
проводимости в процессе теплового возбуждения, относительно мала, но ей уже
нельзя пренебречь, так что возникает небольшая проводимость, отсюда и термин —
полупроводник. Материалы такого типа называют собственными полупроводника¬ми.
Полупроводник может быть легирован донорами, которые легко отдают элек¬троны в
зону проводимости, где те переносят ток. Материал может быть легирован и
акцепторами, захватывающими электроны из валентной зоны и оставляющими в ней
эффективные положительные заряды, называемые дырками, которые также являются
носителями тока. Энергетические уровни таких доноров и акцепторов ле¬жат внутри
запрещенной зоны, как показано на рис. 2.12. В первом случае говорят о
проводимости n-типа, так как основными носителями тока являются отрицатель¬но
(negative) заряженные электроны, а во втором — p-типа, так как основные
носи¬тели — положительно (positive) заряженные дырки. Оба типа примесной
(несобственной) проводимости в полу¬проводниках зависят от температуры.
Проводники — это материалы с заполненной валентной зоной и зоной про¬водимости,
частично заполненной делокализованными электронами, выступаю¬щими эффективными
носителями электрического тока. Положительно заряжен¬ные ионы металлов,
расположенные в узлах кристаллической решетки, отдают свои внешние электроны в
зону проводимости и остаются положительно заря¬женной основой для
обобществленных электронов. На рис. 2.11в показана зон¬ная структура для этого
случая.
В реальных кристаллах зонная структура гораздо сложнее, чем показано на
схематическом рис. 2.11, так как вид зоны зависит от кристаллографического
на¬правления в решетке. Это будет обсуждаться далее.
Рис. 2.11. Энергетические зоны в диэлектрике (а), собственном полупроводнике (б)
и проводнике (в). Наличие электронов в зоне обозначено косой штриховкой.
Рис. 2.12. Энергетическая схема локальных уровней в запрещенной зоне
полупроводника. Акцепторные уровни расположены выше потолка валентной зоны на
ΔЕА. Донорные уровни лежат ниже дна зоны проводимости на ΔЕА. Уровни глубоких
ловушек лежат вблизи середины запрещенной зоны. Справа вверху для масштаба
показана типичная величина тепловой энергии kвТ.