Энергетический спектр носителей заряда в полупроводниках.

Формула электронного строения атома кремния:

Z = 14 Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Рассмотрим, что происходит с энергией электронов в атомах, которые сначала находятся на больших расстояниях r₁, а затем сближаются до расстояния r₀, которое соответствует расстоянию между атомами в кристалле ( ). Ограничимся рамками двухатомной модели твердого тела.

В изолированных (невзаимодействующих) атомах энергия связи электронов принимает только ряд определенных значений , , (рис 7а). Уровень соответствует возбужденному состоянию атома кремния. При кривые потенциальной энергии U(r) в промежутках между атомами накладываются друг на друга, и потенциальные барьеры, отделяющие электроны в соседних атомах, понижаются.

Рис.7. Энергия связи электронов в удаленных атомах (а) и в атомах, расположенных на расстоянии в несколько ангстрем (б).

В результате электроны, находящиеся на уровнях , составляет систему взаимодействующих электронов, на которую распространяется принцип Паули. Таким образом, взаимодействие соседних атомов приводит к изменению энергии валентных электронов в каждом атоме. Следовательно, уровень расщепляется в простейшем случае на 2N близких подуровней, где N – число атомов в кристалле. Данные подуровни образуют разрешенную валентную энергетическую зону. Уровень расщепляется в свободную зону, которую в полупроводниках называют также зоной проводимости.

Рис.8. Схемы энергетических зон собственного и примесных полупроводников.

Обозначения на рис.8: – дно зоны проводимости; – потолок валентной зоны; – ширина запрещенной зоны; – энергия уровня Ферми; – локальные энергетические уровни донорных примесных атомов; – локальные энергетические уровни акцепторных примесных атомов.

– энергия активации доноров.

– энергия активации акцепторов.