Энергетические (зонные) диаграммы полупроводников.

Каждой электронной оболочке в отдельно взятом атоме соответствует определенный энергетический уровень. Если по вертикали откладывать энергию, то энергетические уровни электронных оболочек атома Si можно представить в виде трех горизонтальных линий (рис 1,а). При этом верхняя линия соответствует энергии В. электрона. При взаимодействии атомов в кристаллической решетке энергетические уровни электронов смещаются («расцепляются»), образуя энергетические зоны (рис 1,б). Внутренние электроны оболочки атомов слабо взаимодействуют с другими атомами кристаллической решетки, так как они как бы заэкранированы внешней оболочкой. Поэтому внутренние энергетические зоны уже внешней. Изображенные на рис 1 диаграммы являются одномерными, то есть по горизонтали на них ничего не откладывают, а вместо точек лини произвольной длины лишь для наглядности. Поскольку электроны с энергетическими уровнями, лежащими во внутренних зонах, не могут принимать участие в процессе электропроводности, их на энергетических диаграммах обычно не изображают и отсчет энергии ведут от низшего уровня В3. На рис.2 изображены энергетические (зонные) диаграммы Si и Ge.

Выше В3 расположена ЗП представляющая собой совокупность энергетических уровней свободных электронов. Эту зону иногда называют свободной. Между В3 и ЗП находится ЗЗ с шириной, равной минимальной энергии, которую необходимо сообщить В. Электрону для того, чтобы он мог оторваться от атома и стать свободным (для перехода электрона с высшего уровня В3 W_В на низший уровень ЗП W_П), т.е. 1,12 эВ для Si и 0,72 эВ для Ge. Запрещенной эта зона называется потому, что электрон не может длительно находиться в ней (т.е. длительно иметь энергетические уровни, соответствующие этой зоне). Если В. электрон получил дополнительную энергию, меньшую необходимой для его отрыва от атома, например для Si меньшую 1,12 эВ, то электрон лишь переходит на более удаленную от ядра орбиту. Такое состояние атома принято называть возбужденным. Электрон вскоре возвращается на свою обычную орбиту, отдавая при этом в окружающее пространство полученную ранее энергию в виде электромагнитной волны – фотона.

В зонной теории часто употребляют выражения: ²электрон переходит из ВЗ в ЗП², ²электрон перемещается в ЗП² и т.п. Следует заметить, что при этом имеют в виду энергетические уровни электронов, а сами электроны, разумеется, перемещаются не в зонах, а в кристалле полупроводника.