Зонная теория твёрдого тела - квантовая теория, согласно которой электроны в теле представляют собой ряд чередующихся зон с разрешенной и запрещенной энергией электронов.
В данной статье будут разобраны основные аспекты зонной теории, необходимые для дальнейшего понимания теории полупроводников, на которой базируется большая часть электронных элементов и устройств.
Зонная структура твердых тел
Согласно принципу Паули, в твердом теле не существует двух принципиально одинаковых электрона, занимающих определенный энергетический уровень, а электроны, находящиеся на одном уровне, должны иметь противоположные спины (спин электрона - момент импульса частицы при её вращении вокруг собственной оси, различают положительный и отрицательный спины - вращение по часовой и против часовой стрелки соответственно).
Из этой теории следует, что в твердых телах энергетические уровни расщепляются на большое количество (примерно по количеству атомов в теле) подуровней. При этом подуровни расположены близко друг к другу и почти сливаются.
Определённые группы подуровней образуют энергетические зоны:
- Разрешённые - зоны, в которой электрон может свободно перемещаться почти без затрат энергии;
Разрешённая зона, в свою очередь, может быть валентной (при температуре абсолютного нуля эта разрешённая зона полностью заполнена электронами) и зоной проводимости (при температуре 0К зона не имеет электронов).
Так как электроны стремятся занять уровни с наименьшей возможной энергией, валентной зоне будет соответствовать разрешенная зона с наименьшим набором значений энергии.
- Запрещенные - зоны, соответствующие энергии которых, электрон в данном твёрдом теле принимать не может;
В зависимости от ширины запрещенной зоны (ΔW, разность допустимых энергий "дна" зоны проводимости Ес и "потолка" валентной зоны Еа), различают 3 группы твёрдых тел:
- Металлы - запрещённая зона отсутствует, электроны могут свободно перемещаться по объему тела;
- Диэлектрики - ширина запрещённой зоны больше 3 эВ, электронам достаточно сложно перейти через такой энергетический барьер, поэтому диэлектрики очень плохо проводят электрический ток;
- Полупроводники занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками, характерные значения ширины запрещенной зоны лежат в диапазоне 0,08 эВ < ΔW < 3 эВ.
Проводимость полупроводников
Если увеличить энергию электрона любым способом (тепловым, электрическим, химическим, и т.д.), то он сможет порвать связь с собственным атомом и выйти из него. При этом на его месте образуется дырка (дырки - носители положительного заряда в полупроводниках).
Процессом создания электронно-дырочной пары называется процесс генерации, а обратный ему (слияние электрона с дыркой и образование невозбуждённого электрона) - рекомбинацией.
Вследствие образования дырок, связанные с атомом электроны так же получают возможность перемещаться по объёму полупроводника (валентный электрон способен перейти на на место дырки, при этом образуя новую дырку на прошлом месте), при этом сами дырки перемещаются в обратную сторону.
Таким образом, полупроводники, в которых в создании электрического тока участвуют и электроны, и дырки, называются собственными, а их проводимость - собственной. Собственная проводимость не представляет практического интереса, так как она довольно мала.
Добиться высокой электрической проводимости позволяет введение в объём полупроводника примесей.
Примесными называются полупроводники, электрическая проводимость которых обусловлена наличием в полупроводнике примесей.
В зависимости от типа введённой примеси различают:
- Полупроводники n-типа. Проводимость этих полупроводников обусловлена свободными электронами в зоне проводимости. Для получения такого полупроводника в объём тела вводят примесь с атомами, валентность которых на единицу выше, чем у атомов полупроводника, при этом атомы полупроводника и примеси образуют ковалентные связи, а один электрон примеси остаётся свободным.
Примеси, которые предоставляют полупроводнику свободные электроны, называются донорными, а их введение образует донорный уровень в запрещённой зоне:
Расстояние от донорного уровня до дна зоны проводимости небольшое, поэтому, даже при малейшем увеличении энергии электронов, они могут перейти в зону проводимости.
- Полупроводники p-типа - их проводимость обусловлена появлением дырок в валентной зоне. При введении в объём полупроводника примеси с атомами, валентность которых на единицу ниже валентности атомов тела, создаются ковалентные связи этих атомов, а один электрон атома полупроводника захватывается атомом примеси для образования связи, при этом на его месте образуется вакансия.
Примеси, предоставляющие дырки полупроводнику, называются акцепторными, а уровень, образующейся в запрещённой зоне у "потолка" валентной зоны - акцепторным уровнем.
Так как расстояние от акцепторного уровня до "потолка" валентной зоны мало, при малейших изменениях энергии, электроны становятся способны перейти из валентной зоны на акцепторный уровень, образуя дырки в валентной зоне, которые, в свою очередь, могут участвовать в создании электрического тока.
В следующей статье будут разобраны процессы, протекающие при совмещении полупроводников n- и p-типов.