1.4. Энергетические уровни и зоны

Кристаллическая структура представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих между собой благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, кристаллическая структура характеризуется совокупностью энергетических зон. Каждая зона происходит от соответствующего уровня, который расщепляется при сближении атомов. В результате кристаллическая структура характеризуется зонной диаграммой, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными зонами.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, а расположенная непосредственно под ней – валентной зоной. При нулевой абсолютной температуре валентная зона всегда полностью заполнена электронами (точнее, все электроны имеют энергию, соответствующую валентной зоне), а зона проводимости у металлов либо заполнена только в нижней части (точнее, электроны имеют энергию, соответствующую нижней части зоны проводимости), либо у полупроводников и диэлектриков пуста (точнее, нет электронов с энергией, соответствующей зоне проводимости).

Особенностью энергетической (зонной) диаграммы проводников (металлов) является отсутствие запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. Диэлектрики характеризуются шириной запрещенной зоны > 3 эВ. У полупроводников < 3 эВ (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Энергетические диаграммы

электрон-вольт (эВ) – единица измерения энергии, используемая в физике полупроводников. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт.

При комнатной температуре Т = 300 ºК наиболее распространенные полупроводники имеют следующие значения ширины запрещенной зоны: германий (Ge) – 0,72 эВ, кремний (Si) – 1,12 эВ, арсенид галлия (GaAs) – 1,41 эВ.

На рис. 1.7 подразумевается собственный – беспримесный и бездефектный полупроводник. У примесных полупроводников зонные диаграммы отличаются (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Зонные диаграммы примесных полупроводников

Донорные и акцепторные уровни расположены в запрещенной зоне, причем уровни доноров близки ко дну зоны проводимости, а уровни акцепторов – к потолку валентной зоны. Примесные уровни не расщепляются в зоны, так как концентрация примесей обычно мала и расстояние между примесными атомами велико.

В случае большой концентрации примесей (10¹⁸...10¹⁹ См^–3 и более) примесные уровни расщепляются и образуют примесную зону. Обычно она сливается с ближайшей разрешенной зоной полупроводника. Получившаяся зона не полностью заполнена электронами, что соответствует структуре металла.

Сильно легированные полупроводники называются вырожденными или полуметаллами.

Донорные и акцепторные уровни называют мелкими, имея в виду их малую удаленность от соответствующих разрешенных зон: (0,01…0,05) эВ и (0,01…0,05) эВ. Существуют примеси, характеризующиеся глубокими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны. Например, в кремнии глубокие уровни характерны для атомов золота (Au), меди (Cu), никеля (Ni). Такие примеси не являются донорными и акцепторными. Но они играют важную роль в работе полупроводниковых приборов.

В приповерхностном слое структурные нарушения решетки создают дополнительные поверхностные энергетические уровни. Они могут занимать разное место на зонной диаграмме.