7.2.3. Классификация твердых тел
В зонной теории различные типы твердых тел по электрическим свойствам отличаются характером расположения разрещенных и запрещенных зон энергий, а также различным заполнением зон электронами.Запрещенные зоны могут разделять разрещенные или отсутствовать, если разрещенные зоны перекрывают друг друга.
Подобно тому, как в изолиролванном атоме электроны могут переходить с одного уровня на другой, электроны в кристаллах могут переходить из одной разрешенной зоны в другую, также совершать переходы внутри одной зоны. Для перехода из нижней энергетической зоны в соседнюю верхнюю разрешенную зону необходима энергия, равная ширине запрещенной зоны, которая разделяет их, т.е. энергия порядка нескольких электронвольт.
Определим
изменение энергии электрона, находящегося
в разрещенной зоне, под действием
внешнего электрического поля с
напряженностью
.
Даже в очень сильном поле с
электрон приобретает лишь
,
что значительно меньше ширины запрещенной
зоны, разделяющей соседние разрещенные
зоны. Таким образом, под действием
электрического поля электроны могут
совершать лишь внутризонные переходы.
Повышение температуры приводит к тому,
что электрон получает энергию достаточную
для перехода в расположенную выше
разрешенную зону. Вместе с тем тепловой
механизм возбуждения приводит и к
внутризонным переходам электронов.
Необходимым условием электропроводности
твердого тела является наличие в
разрешенной зоне свободных энергетических
уровней, на которые внешнее электрическое
поле могло бы перевести электроны.
Зона
заполненная электронами частично или
пустая при
называется зоной проводимости (
).
Самая верхняя зона (расположенная под
зоной проводимости), целиком заполненная
электронами при
называется валентной зоной (
),
рис. 7.10.
Если зона проводимости заполнена частично и содержит свободные верхние, не занятые электронами уровни, то твердое тело будет проводником. Например, в натрии зона проводимости заполнена наполовину, этому соответствует наполовину занятый верхний стационарный энергетический уровень валентного одиннацатого электрона в изолированном атоме. Проводником будет твердое тело будет также в том случае, если имеется перекрытие разрещенных зон, причем нижняя зона заполнена, а верхняя пуста, но перекрывается нижней. Примером таких проводников являются щелочно-земельные металлы.
Рис.7.10
У твердых диэлектриков энергетические зоны не перекрываются, причем валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной. Ширина которой более 2 эВ. В таком случае внешнее электрическое поле не может перевести электроны из целиком валентной зоны в свободную зону проводимости.
Между
металлами с удельным сопротивлением
и
диэлектриками с удельным
сопротивлением
находятся
материалы, которые называются
полупроводниками. Их удельное сопротивление
изменяется в широком интервале
.
Наряду с чистыми полупроводниками
(кремний, германия и др.) к этому классу
материалов относятся оксиды, сульфиды,
теллуриды, селениды многих металлов, а
так же моноэлементные м.
Повзнер А.А., Валишев М.Г. Курс общей физики. СПб.: Издательство «Лань». 2009.576 стр.
Физика: Электростатика и постоянный ток. Модуль № 3. Конспект лекций /М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. Екатеринбург: ООО "Изд-во УМЦ УПИ", 2004. 52 с.
Овчинников В.А. Общая физика, часть 2. Учебное пособие, Издание УПИ, 1975г. 247 с.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Как образуются энергетические зоны?
2. Что такое «запрещенная» зона?
3. Что такое зона «проводимости»?
4. В чем основное отличие между проводниками, полупроводникам и диэлектриками?
Лекция 8. Полупроводники
8.1. Электропроводность собственных полупроводников
Собственный
полупроводник – это химически чистый
полупроводник, кристаллы таких элементов,
как кремний -
,
германий -
,
теллур -
,
а также ряда химических соединений,
например арсенид галия
,
антимонид индия
.
Рассмотрим собственный полупроводник
при различных температурах.
:
Все валентные электроны находятся в ковалентной связи, свободных электронов нет (Рис.8.1), т.е. валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пустая. Ширина запрещенной зоны равна (Рис.8.2).
Рис.8.1 Рис.8.2
:
За счет энергии теплового движения часть электронов покидает место в ковалентной связи. Образуется пара свободных носителей заряда – свободный электрон и дырка (Рис. 8.3). Этот процесс называется генерацией свободных носителей заряда. Дырка – это вакантное место в ковалентной связи. Она перемещается как положительно заряженная частица по кристаллу из-за того, что в это вакантное место переходят электролны из других ковалентных связей. Поэтому дырка рассматривается как квазичастица с положительным зарядом, моделируя перемещение электронов по ковалентным связям.
Рис.8.3 Рис.8.4
Таким
образосм, за счет энергии теплового
движения электрон переходитиз валентной
зоны в зону проводимости (Рис. 8.4).Возникают
два свободных носителя заряда – электрон
в зоне проводимости и дырка, в валентной
зоне. Наряду с процессами генерации
свободных носителей заряда протекают
процессы рекомбинации. За счет протекания
процессов генерации и рекомбинации
свободных носителей заряда в полупроводнике
устанавливается равновесная концентрация
свободных электронов и дырок. Причем
концентрация свободных носителей заряда
– электронов
и
дырок
будут
одинаковы:
.
Для
возникновекния собственной проводимости
полупроводника необходимо, чтобы в нем
появились носители тока, способные под
действием внешнего электрического поля
увеличить свою энергию и прийти в
упорядоченное движение (дрейф). Это
условие выполняется, если часть электронов
«перебрасывается» из валентной зоны в
зону проводимости за счет сообщения
каждому из них энергиии, не меньшей
ширины запрещенной зоны
.
Величина
называется энергией активации собственной
проводимости. Она является
важной характеристикой полупроводника.
Значение энергией
активации собственной проводимости
у каждого элемента своё.
Особенность электрических свойств полупроводников состоит в том, что при обычных температурах их удельное электрическое сопротивление быстро уменьшается с повышением температуры по закону:
.
Концентрация электронов проводимости и вакантных мест в валентной зоне быстро увеличивается с ростом температуры и, следовательно, быстро увеличивается удельная электрическая проводимость полупроводника (Рис.8.5)
:
Рис.8.5
Соответственно уменьшается удельное электрическое сопротивление
.
В этом отношении полупроводники ведут себя противоположно металлам, удельное электрическое сопротивление которых растет с увеличением температуры по линейному закону.