Металлы, полупроводники, диэлектрики

Электропроводность кристалла зависит от распределения электронов по энергетическим уровням. Количество электронов в кристалле с одним и тем же значением энергии ограничено. Иными словами, ограничена вместимость каждого энергетического уровня и, следовательно, каждой зоны. Это связано с запретом Паули, согласно которому в квантовой системе (атоме, молекуле, кристалле) не может быть двух электронов в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому последняя из занятых электронами зон – основная, или валентная зона – может оказаться заполненной полостью. Если при этом свободные квантовые состояния следующей зоны – зоны проводимости – удалены на значительный интервал энергии , то создание в таком кристалле электрического поля не вызовет направленного движения электронов, т. е. электрического тока.

Движение электрона в квантовой механике означает переход его из одного квантового состояния в другое. Такой переход возможен только тогда, когда конечное состояние свободно, т. е. не занято другим электроном (запрет Паули). В рассмотренном случае все квантовые состояния валентной зоны заняты, а для переброса электронов в зону проводимости энергий электрического поля недостаточно.

В металлах только часть уровней основной зоны заполнена электронами, а остальные уровни энергии свободны. В электрическом поле на свободные уровни возможны квантовые переходы электронов.

В полупроводниках и диэлектриках при низких температурах (вблизи абсолютного нуля) валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости полностью свободна. При повышении температуры электроны, обмениваясь энергией с атомами кристаллической решетки, могут получить дополнительную кинетическую энергию. При небольшой ширине запрещенной зоны этой энергии достаточно для перевода части электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к освобождению квантовых состояний в валентной зоне. Электроны в валентной зоне могут совершать квантовые переходы из своих зон в незаполненные т. е дырки. Прежнее заполненное состояние при этом освобождается – образуются дырки. В дырку переходит другой электрон и т. д. Этим переходам электронов эквивалентно движение положительных дырок в обратном направлении. В электрическом поле движение дырок будет направленным, что и обеспечивает электрический ток.

Таким образом, рассмотренная проводимость полупроводников обусловлена электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне, т. е. является электронно-дырочной. Эта электропроводность не связана с наличием примесей в полупроводнике. Ее называют собственной.

а б

Р и с. 2. Энергетическая диаграмма уровней при при-месном

полупроводнике с донорной (а) и акцепторной (б) примесями

Добавление к чистым полупроводникам ничтожного количества ( ) некоторых примесей чрезвычайно сильно (в раз) увеличивает их примесную электропроводность. Объясняется это появлением в запрещенной зоне дополнительных энергетических уровней – уровней примеси (рис. 2) . Если примесные уровни расположены близко к зоне проводимости, т. е. интервал энергии мал, то электроны с таких уровней переходят в зону проводимости, что обеспечивает примесную электронную проводимость (рис. 2, а).

Примеси, отдающие электроны, называются донорными. Полупроводники с донорной примесью называют электронными, или полупроводниками n-типа (negative – отрицательный). Донорной примесью являются атомы элементов более высокой валентности, чем полупроводник, например, атомы пятивалентного мышьяка в кристалле четырехвалентного кремния.

Если уровни примеси расположены близко к валентной зоне, т.е. мала энергия , то электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. 2, б). Это приводит к образованию дырок в валентной зоне и к дырочной примесной проводимости. Примеси, захватывающие электроны, называют акцепторными. Полупроводники с акцепторной примесью называют дырочными, или полупроводниками р-типа (positive – положительный).