Зонная теория твёрдого тела
Автор: GDGDG • Февраль 27, 2023 • Лекция • 2,105 Слов (9 Страниц) • 173 Просмотры
1
Тема: Зонная теория твёрдого тела
Краткие теоретические сведения
Существуют вещества, которые по проводимости электрического тока занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие вещества называют полупроводниками. К ним относится целый ряд химически чистых элементов (германий, кремний, селен и др.), а также некоторые химические соединения (минералы, сульфиды, оксиды).
При нормальных условиях удельная проводимость полупроводников имеет значение ρ = (10-5– 107) Ом . м. Классическая теория электропроводности не смогла объяснить существование в природе полупроводников и диэлектриков. Это удалось объяснить в рамках, так называемой, зонной теории твёрдого тела (квантовой теории, согласно которой, энергетический спектр электронов в кристалле вещества представляет собой ряд чередующихся между собой зон разрешённых и запрещённых энергий электронов). По этой теории различие в электрических свойствах веществ объясняется различным заполнением электронами зон разрешённых энергетических уровней.
Е Зона проводимости
Запрещённая
зона
Образование зон при объединении одиночных атомов в кристалл связано с особыми квантовыми свойствами электронов, которые выражаются принципом Паули:
в квантовомеханической системе не может быть электронов в совершенно одинаковом квантовом состоянии (то есть с одинаковым набором квантовых чисел).
металл Полупро- водник
Валентная
зона
диэлектрик
Благодаря этим свойствам при образовании кристалла происходит расщепление энергетических уровней изолированного атома на множество близкорасположенных, но несовпадающих друг с другом подуровней, число которых пропорционально количеству атомов в кристалле. Например, в металле в 1 м3 содержится 1028 атомов. При ширине зоны порядка 1 эВ расстояния между подуровнями оказываются приблизительно 10 – 28 эВ. На каждом таком подуровне может находиться не более двух
электронов с противоположными спинами.
Наиболее характерным свойством полупроводников является то обстоятельство,
что их удельное сопротивление может значительно изменяется под влиянием внешних [pic 1]
воздействий. При определённых условиях (например, увеличении температуры,
освещенности, в сильных электрических полях и т.д.) эти электроны могут приобрести
энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от атома и стать свободными
электронами проводимости (на рис. 1 электроны обозначены тёмными кружочками).
Энергию, необходимую для образования свободного электрона, называется энергией
активации. На месте ушедшего электрона в валентной зоне образуется вакантное
место, которое называют «дыркой» (на рис. 1 «дырка» обозначена светлым кружочком).
Благодаря образованию «дырок» электроны валентной зоны, которые связаны с атомами
кристаллической решётки, получают возможность наряду со свободными электронами
так же участвовать в токе проводимости, если в кристалле создать электрическое поле.
Это объясняется следующим образом: под действием сил со стороны электрического
поля, один из валентных электронов какого-либо атома может перейти на вакантное
место соседнего атома. В результате такого перехода в первом атоме образуется
вакансия, то есть «дырка», а во втором атоме вакансия исчезает. «Дырки» в кристалле
перемещаются по направлению внешнего электрического поля, то есть ведут себя как
положительно заряженные частицы. Таким образом, движение «дырок» не является
перемещением какой-то реальной положительной частицы. На самом деле по кристаллу
движутся валентные электроны, переходя от одного атома на свободное вакантное место соседнего атома, и так далее по кристаллу, образуя электрический ток (при этом эти электроны остаются связанными с атомами кристалла). Можно считать, что «дырки», как и электроны, перемещаются по полупроводнику и являются носителями электрического тока. Такой механизм проводимости полупроводников называется собственным, а сами полупроводники называются собственными. В таких полупроводниках концентрация свободных электронов в зоне проводимости равна концентрация «дырок» в валентной зоне. Собственная проводимость очень маленькая и обычно не представляет практического интереса. Для увеличения электрической проводимости полупроводников применяют примеси.
...