Електричні властивості напівпровідників. Уявлення про основи зонної теорії твердого тіла.

Відомо:

• Кількість електронів в атомі дорівнює кількості протонів в ядрі.

• Кожний з електронів має певну енергію (знаходиться на певному енергетичному рівні) – чим далі від ядра, тим енергетичний рівень вищий.

• Енергія електрона змінюється тільки дискретно, певними порціями – і тому електрони в атомі мають цілком певні орбіти.

Енергетичні рівні, на яких знаходяться електрони, називаються дозволеними; ті рівні, де електрони знаходитись не можуть – забороненими.

• Електрони, найменш пов’язані з ядром, можуть вступати у взаємодію з ядрами інших атомів – це валентні електрони.

• Існують зони, що містять дозволені рівні (дозволені зони), між якими знаходяться заборонені зони. Зони, в яких знаходяться рівні валентних електронів – це валентні зони.

• Вище валентної зони в твердих тілах існує зона з ще більш високоенергетичними рівнями – зона провідності. В цій зоні енергія електронів настільки велика, що вони вже не пов’язані з ядром і можуть вільно переміщуватись між атомами.

Електропровідність твердих тіл обумовлена саме такими електронами, що перейшли з валентної зони до зони провідності.

Розташування енергетичних зон:

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто певне, суворо визначене розташування атомів на однакових відстанях один від одного, в результаті чого утворюється кристалічна решітка.

Між атомами кристалічної решітки існують зв’язки. Вони утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атому, але й з ядром сусіднього. Так, в кристалах кремнію, германію зв’язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами – по одному від кожного атома. Такий зв’язок між атомами називаєтьсядвохелектронним, або ковалентним.

Характерна особливість двохелектронних зв’язків полягає в тому, що при їх утворені електрони зв’язку належать вже не одному, а одразу обом, зв’язаних між собою атомам, тобто є для них спільними. В результаті зовнішня орбіта кожного з атомів, наприклад, чотирьохвалентних кремнію або германія має немов би по вісім електронів і стає повністю заповненою.

Кристалічна решітка, в якій кожний валентний електрон атомів решітки бере участь у ковалентних зв’язках з іншими атомами речовини, є ідеальною. В такому кристалі всі валентні електрони міцно зв’язані між собою і вільні електрони, які могли б брати участь у переносі зарядів відсутні. Таку кристалічну решітку мають всі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (–273С). В цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.

Найбільше застосування для виготовлення приладів мають такі напівпровідникові елементи, як германій та кремній.

Атоми цих елементів утворюють кристал у формі тетраедра. Завдяки цьому ядра всіх елементів знаходяться на однаковій малій відстані один від одного, утворюючи нерухомі вузли кристалічної решітки. Кожний з чотирьох валентних електронів знаходиться під впливом одного з чотирьох сусідніх ядер і обертається по орбіті, що охоплює своє і сусіднє ядро.

При переході електрона в зону провідності на валентному рівні залишається незаповнене електроном місце, на яке може перейти інший електрон з іншої ядерної пари. Таке незаповнене електроном місце у ковалентному зв’язку (вакансія) називається діркою.Процес утворення пари електрон–дірка отримав назву генерація зарядів. Дірка має додатний заряд, тому вона може перетягнути до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв’язку. В результаті відновлюється один зв’язок (цей процес називається рекомбінацією) і порушується сусідній. Отже, заповнення однієї дірки супроводжується виникненням нової в іншому місці. Такий генераційно-рекомбінаційний процес безперервно повторюється, і дірка, переміщуючись із одного зв’язку в інший, буде переміщуватись по кристалу, що рівносильне переміщенню додатного заряду, рівного за величиною заряду електрона.