Электрические свойства полупроводниковых материалов

Атомы всех веществ состоят из ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся электроны. Электроны могут двигаться вокруг ядра по строго определенным (разрешенным) орбитам.

Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, зазываемые уровнями энергии, или энергетическими уровнями.

Электрон, вращающийся на самой близкой к ядру орбите, обладает минимальной энергией, а вращающийся на самой удаленной – максимальной.

Переход электрона с одной орбиты на другую связан с изменением его энергетического уровня. Чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень (удалить от ядра), необходимо затратить определенное количество энергии (квант или фотон). При обратном переходе электрона с более удаленной орбиты на более близкую к ядру его энергия излучается в виде кванта.

В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зоны (рис. 2.1). Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. В металлах и полупроводниках большое число электронов находится на более высоких энергетических уровнях, которые составляют зону проводимости (ЗП). Электроны проводимости совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов. У металлов валентная зона (ВЗ) примыкает к зоне проводимости. У полупроводников валентная зона отделяется от зоны проводимости запрещенной зоной, т.е. уровнями энергии, на которых электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны (ЗЗ) DW определяется энергией, необходимой для перевода одного электрона с низшего разрешенного уровня на высший. Размерность – эВ (1эВ - это энергия, необходимая для перемещения электрона в электрическое поле между точками с разностью потенциалов в 1 В).

а б в

Рис. 2.1. Зонные энергетические диаграммы, характеризующие

распределение электронов по энергетическим уровням. Проводник (а),

полупроводник (б), диэлектрик (в)

Электрическая проводимость того или иного твердого вещества определяется шириной запрещенной зоны.

В зоне проводимости электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными, способными под влиянием внешнего электрического поля перемещаться между атомами вещества.

В проводнике зона проводимости и валентная зона примыкают друг к другу, а иногда могут перекрывать друг друга. При обычных температурах электроны легко переходят из одной зоны в другую. Число электронов в запрещенной зоне велико. Эти электроны, двигающиеся беспорядочно, под воздействием разности потенциалов, могут начать двигаться упорядоченно, создавая электрический ток.

В полупроводнике электрическая проводимость меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков. Наличие в полупроводнике при обычных условиях некоторого числа свободных электронов делает их похожими на металлы.

В диэлектрике широкая запрещенная зона может достигать 8эВ. Чтобы электрон смог преодолеть запрещенную зону, нужно сообщить ему значительную энергию. Однако при попытке сообщить ее, произойдет пробой диэлектрика, т.е. разрушение (непоправимое) кристаллической структуры. У диэлектриков мало электронов в зоне проводимости.

При достаточном охлаждении полупроводник становится диэлектриком, а при нагреве или освещении его - проводником. Электрическая проводимость полупроводника сильно зависит от наличия примесей.