Зонная теория проводимости твердых тел

Физические основы электроники

Зонная теория проводимости твердых тел

Согласно физике все вещества состоят из атомов, а атомы из положительного ядра и вращающихся вокруг него по разным орбитам электронов. Электроны, вращающиеся по внешней орбите, называются валентнымии образуют связи между соседними атомами. Различают валентную связь, когда электрон вращается вокруг своей орбиты, и ковалентную связь, когда валентные электроны вращаются по общей орбите между двумя соседними атомами. Электроны, покинувшие свою орбиту и свободно перемещающиеся в веществе, называются свободными и участвуют в проведение электрического тока.

Все вещества по отношению к электрическому току делятся на:

- проводники

- полупроводники

- изоляторы

В твердом кристаллическом теле, состоящем из многих атомов, электрические и магнитные поля отдельных атомов влияют друг на друга, образуя энергетические уровни.

Для пояснения отличительной особенности изоляторов, проводников и полупроводников используют зонную теорию, согласно которой электроны, вращаясь вокруг своего ядра на разных орбитах, обладают различной энергией.

Рис. 1.1 – Энергетические зоны изолятора (а), проводника (б) и полупроводника (в).

Согласно зонной теории отличие этих веществ состоит в следующем:

· В изоляторах все валентные электроны находятся на своих орбитах, т.е. в валентных и свободных зонах, а в зоне проводимости электронов нет. Для перехода из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить электрону внешнее воздействие ΔЕ для преодоления запрещенной зоны.

· В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, и при нормальных атмосферных условиях в металле много свободных электронов.

· Полупроводники, как и изоляторы, имеют также запрещенную зону, но толщина ее значительно меньше, поэтому даже при нормальных атмосферных условиях в них имеются свободные электроны, но по сравнению с металлами их количество мало.

Уровень энергий, в котором находятся валентные электроны, образуют валентную зону. Уровень энергий, в котором находятся свободные электроны, участвующие в проводимости, образуют зону проводимости. Валентная зона и зона проводимости разделяются запрещенной зоной.

Ширина запрещенной зоны:
•Германий (Ge) 0,85 эВ;
•Кремний (Si) 1,1 эВ;
•Фосфид индия (JnP) 1,26 эВ;
•Металлы (Cu) 0 эВ;
•Изоляторы >3 эВ.

Электропроводность веществ определяется содержанием свободных электронов. В металлах в 1 см3содержится около 1022э/см3, а в полупроводниках 109÷1010э/см3.
Для создания тока I=1A необходимо пропускать ne≈1018в секунду.