п = Ч-п = 3-

п=г-

п=1-

Рис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергетические зоны кристалла

Рис. 1.4. Схематическое изображение структуры энергетических зон твердого тепа

превышает единиц электрон-вольт, можно считать, что соседние уровни отличаются по энергии примерно на ICF зВ. Следовательно, энергетические уровни образуют в зоне практически непрерывный спектр.

Разрешенные энергетические зоны отделены интервалами энергий, которые электрон не может иметь. Эти интервалы энергий называются запрещенными энергетическими зонами. Ширина запрешенных зон определяется природой атомов, образующих кристалл, а также строением и состоянием атомов, образующих монокристалл.

На рис. 1.4 показано схематическое изображение энергетических зон твердого тела при температуре абсолютного нуля.

/ - разрешенная энергетическая зона, называемая заполненной. В этой зоне все уровни заняты электронами. Верхнюю часть заполненной зоныназьшают валентной f.

3 - разрешенная энергетическая зона незаполненных уровней, называемая свободной зоной. Нижняя часть этой зоны, на уровнях которой при возбувдении могут находиться электроны, носит название зоны проводимости 3 . Между нижним уровнем (дном) зоны проводимости W(. и верхним уровнем (потолком) валентной зоны W- расположена зона запрещенных энергетических уровней (запрещенная зона) 2.

Ширина запрещенной зоны AW является одним из важнейших параметров, определяющих электрические свойства твердого тела, например его электропроводность.

Для изображения энергетических зон твердого тела (проводников, полупроводников и диэлектриков) воспользуемся упрощенными диаграммами (рис. 1.5J, на которых указаны валентная, запрещенная зоны и зона проводимости. Нижняя часть заполненной зоны на диаграммах не показана, так как электроны, находящиеся в этой области, участия в электропроводности не принимают. **

Рис. 1.5. Диаграммы энергетических зон проводника (с), диэлектрика (б), полупроводника (в) :

I - валентная зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости

В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются и электроны из валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости при любой температуре, т. е. могут участвовать в процессе электропроводности.

В диэлектриках и полупроводниках валентная зона отделена от зоны проводамости запрещенной зоной AW. При температуре абсолютного нуля в зоне проводимости этих веществ электронов нет и, следовательно, электропроводность отсутствует.

У диэлектриков ширина зоны ДЬ велика (не менее 3 эВ). Поэтому в обычных условиях переход электронов в зону проводимости маловероятен. Такие тела не способны проводить электрический ток и являются изоляторами.

В полупроводниках ширина запрещенной зоны относительно мала (около 0,5-3 эВ). При таком значении AWn температуре, отличной от абсолютного нуля, возможен переход некоторого числа электронов из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны обусловливают в полупроводнике электронную проводимость, или проводимость п-типа (от латинского слова negative - отрицательный). Одновременно в валентной зоне из-за ухода электронов появляются свободные уровни (электронные вакансии). Соседний электрон в валентной зоне может занять этот уровень, создав тем самым новый вакантный энергетический уровень и т. д. Смещение электронов в валентной зоне эквивалентно движению в противоположном направлении некоторой частицы -"дырки", имеющей по отношению к электрону положительный заряд. Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то перемещение дырки станет направленным. Этот вид проводимости полупроводника называется дырочной, или проводимостью р-типа (от латинского слова positive - положительный).

Процесс одновременного образования электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочных пар. Обратный процесс соединения электрона с дыркой называется рекомбинацией.

В химически чистом полупроводнике концентрация дырок в валентной зоне равна концентрации электронов проводимости. Электропро-

Рис. 1.6. Энергетические диаграммы полупроводника:

а - с донорной примесью; б - с акцепторной примесью (1 - валентная зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости; 4 - валентные уровни донорных атомов; 5 - свободные уровни акцепторных атомов)

водность, обусловленная одновременным участием в проводимости электронов и дырок, называется собственной проводимостью полупроводника i-Tuna (от слова intrinsic - собственный).

Равенство концентраций электронов и дырок может наруишться из-за наличия атомов примесей. Если преобладает концентрация одного из типов носителей заряда (электронов или дырок), то электропроводность полупроводника назьшается примесной проводимостью. Примеси бывают двух видов: донорные и акцепторные. Донорные примеси (доноры) отдают свои электроны и создают в кристалле полупроводника электронную проводимость (полупроводник типа и). Энергетические уровни, создаваемые донорными примесями, располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 1.6, й) .

Атомы акцепторной примеси принимают на свои уровни валентные электроны и тем самым обусловливают появление дырок. В результате создается дырочная проводимость полупроводника (полупроводники типа р). Свободные энергетические уровни, создаваемые акцепторной примесью, расположены в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны (рис. 1.6,6).

Для ионизации примесньсс атомов требуется значительно меньшая энергия, чем для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

1.6. РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

Согласно квантовой статистике Ферми-Дирака функция распределения электронов металла по энергиям. имеет вид, показанный на рис. 1.7. По оси абсцисс отложена энергия электронов W, по оси ординат - количество электронов\/У; на рис. 1.7 обозначено: (Vp - уровень {энергия) Ферми - максимально возможная энергия электронов в металле при температуре абсолютного нуля.