Понятие о зонной теории твердых тел

Используя уравнение Шредингера - основное уравнение динамики в нерелятивистской квантовой механике, - в принципе, можно рассмотреть задачу о кристалле, например, найти возможные значения его энергии, а также соответствующие энергетические , состояния. Однако как в классической, так и в квантовой механике отсутствуют методы точного решения динамической задачи для системы многих частиц. Поэтому эта задача решается приближенно сведением задачи многих частиц к одноэлектронной задаче — задаче об одном электроне, движущемся в заданном внешнем поле. Подобный путь приводит к зонной теории твердого тела. Будем считать, что ядра в узлах кристаллической решетки неподвижны, движение электрона рассматривается в постоянном периодическом поле ядер. Рассмотрим мысленно процесс образования твердого тела из изолированных атомов. Известно, что электроны, находясь внутри атома, обладают дискретными значениями энергии. Изолированные атомы, находящиеся друг от друга на макроскопических расстояниях, имеют совпадающие схемы энергетических уровней. По мере «сжатия» вещества до кристаллической решетки, т.е. когда расстояния между атомами станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны. Образуется, так называемый, зонный энергетический уровень (рис. 12). Заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних валентных электронов, наиболее слабо связанных с ядром и имеющих наибольшую энергию, а также наиболее высокие уровни, которые в основном состоянии атома вообще электронами не заняты. Уровни же внутренних электронов слабо подвержены этому. Таким образом, в твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, внешние

(валентные) же электроны «коллективизированы» — принадлежат всему твердому телу.

Рис. 12

Образование зонного энергетического спектра в кристалле является квантовомеханическим эффектом и вытекает из состояния неопределенностей. Благодаря переходу через потенциальный барьер внешних электронов атомов в кристалле, среднее время жизни г валентного электрона в. данном атоме по сравнению с изолированным атомом существенно уменьшается и составляет примерно 10^-15с (для изолированного атома -=10^-8 с). Время же жизни электрона в каком-либо состоянии связано с неопределенностью его энергии (шириной уровня) соотношением неопределенностей = . Следовательно, если естественная ширина спектральных линий составляет примерно 10^-7 эВ, то в кристаллах = 1 10 эВ, т.е. энергетические уровни валентных электронов расширяются в зону дозволенных значений энергии.

Рис. 13

Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах разрешенных энергетических зон. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10^-22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными, однако факт конечного числа уровней в зоне играет важную роль в определении характера распределения электронов по состояниям. Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В запрещенных зонах электроны находиться не могут. Ширина зон не зависит от размеров кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами. Итак, в общем случае в твердых телах образуются три зоны (рис. 13). Валентная зона полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней электронов внутренних оболочек свободных атомов. Зона проводимости (свободная зона) либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электро­нов изолированных атомов.

В металлах эти зоны частично заполнены электронами или пере­крываются, а распределение электронов по энергиям подчиняется статистике Ферми-Дирака. Внутризонные переходы вполне возможны, т.к., например, при 1К энергия теплового движения КТ=10^-4 эВ, т.е. есть гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (10^-22 эВ).

Если в кристалле окажутся одна целиком заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (проводимости), то это вещество будет полупроводник или диэлектрика зависимости от ширины запрещенной зоны ₀.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при ОК в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриком и полупроводником определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (1 10) эВ (например, для NaCl ₀= 6 эВ), для полупроводников - достаточно узка ₀ 1эВ (например, для германия ₀=0,72 эВ). При температурах, близких к ОК, полупроводники ведут себя как диэлектрики, т.е. переброска электронов в зону проводимости не происходит.

Проводимость полупроводников, с точки зрения зонной теории объясняется тем, что дополнительная энергия, необходимая для преодоления ширины запрещенной зоны, электрону сообщается за счет внешних факторов. Электрон, перешедший в зону проводимости, увеличивает электропроводимость полупроводника и оставляет в

валентной зоне свободное место, которое называют дыркой. Во внешнем электрическом поле электрон с соседнего энергетического уровня в валентной зоне может перейти в дырку и оставит вместо себя свободное место - дырку. Дырка перемещается в направлении, обратном перемещению электрона, т.е. ведет себя в электрическом поле подобно положительному заряду.

Итак, при внешних воздействиях полупроводник приобретает одновременно два типа проводимости - электронную и дырочную.

В качестве примера, показывающего роль полупроводников в современной жизни, можно привести то, что полупроводниковые (кристаллические усилители) - транзисторы, пришли на смену электронным лампам. В транзисторе никаких явных электродов (как в лампе) нет, вместо них микроскопические области единого кристалла, куда введены микродозы определенных примесей. Причем микродозами примесей можно создать в кристалле не только усилительные (транзисторные) структуры, но и другие «детали», -резисторы, конденсаторы, соединительные линии. Примерно через 10 лет после появления первых транзисторов, в 1959 году была создана первая интегральная схема (ИС) из четырех (integer — целый) транзисторов — триггер. Затем несколько микросхем свели в одну и создали универсальный блок обработки информации, получивший название микропроцессора.

Сегодня ИС превратилась в такой шедевр, как микропроцессор Pentium-Pro — плоский кристалл размером с небольшую почтовую марку, где сформирован сложнейший электронный агрегат - из пяти миллионов транзисторов. Микропроцессоры не только быстро совершенствуются, но и становятся более доступными, берут на себя огромные объемы расчетной, контрольной, управленческой, графической и иной интеллектуальной работы, подтверждая свою репутацию величайшего достижения цивилизации.