Полупроводники и диэлектрики

Полупроводники и диэлектрики

Полупроводники и диэлектрики.

Каждая общая пара электронов, которая осуществляет в кристалле отдельную связь между парой атомов, имеет огромное количество эквивалентных себе электронных пар в кристалле и вместе с ними всеми образует отдельную энергетическую зону. Следовательно, количество полностью заполненных валентными электронами энергетических зон в кристалле равняется просто количеству таких разных электронных пар в расчете на одну элементарную ячейку кристаллу. В кристалле кремния, например, таких пар есть четыре, как это видно из.

Поэтому в кристаллах типа кремния, будем иметь четыре заполненных валентных зоны при нулевой температуре, как это изображено на наивысшую за энергией заполненную валентными электронами зону принято называть валентной зоной, а самую низкую за энергией пустую, незаполненную энергетическую зону - зоной проводимости.

Допустимо, что в каком-то кристалле есть непарное количество валентных электронов на элементарную ячейку. Такое количество валентных электронов не может заполнить целого числа энергетических зон и потому наивысшая из заполненных валентных зон будет наполовину заполнена, а наполовину пустая. Аналогичная ситуация возникнет и в таком случае, когда запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости исчезнет, то есть зоны коснутся, или пересекутся между собой. И в таком случае образуется объединенная энергетическая зона. Согласно к зонной теории проводимости по такой зоне проводимость возможна уже при нулевой температуре. Такая ситуация характерна для веществ, которые получили название металлов. Энергетическая диаграмма выглядит как на. Стрелками показанные возможны переходы электронов с низших заполненных энергетических уровней до более высоких, пустых. Можно считать, что в металлах нет запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости, потому процесс энергетической активации носителей тока имеет нулевой потенциальный барьер и возможен при любой температуре.

Количество и концентрация свободных электронов в зоне проводимости металлов не зависит от температуры и является одинаковой при любой температуре.

Между полупроводниками и диэлектрикой принципиальной разницы нет. Диэлектрика от полупроводников отличается лишь большими значениями ширины запрещенной зоны. Однако четкой границы между этими веществами нет. Энергетическая диаграмма полупроводника/диэлектрика. Пресс проводимости в этих веществах требует определенной энергетической активации (больше для диэлектриков, меньшей для полупроводников).

Для создания тока в полупроводнике, или диэлектрике надо сначала активизировать электроны с валентной зоны до зоны проводимости. На каждый такой переход (серая стрелка) тратится энергия, которая может привставать к кристаллу различными путями, в частности, и за счет нагревания кристаллу.

Концентрация электронов в зоне проводимости полупроводника равняется концентрации дыр (пустых энергетических уровней) в валентной зоне, если активация идет с одной зоны до другой. Концентрация, в отличие от случая металлов, зависит от температуры, причем она тем больше, чем большая температура. Можно показать, что зависимость является сильной, экспоненциальной. Проводимость в этом случае является суммой проводимостей по зоне проводимости (электронной), и по валентной зоне (дырочная).

Следовательно, в полупроводниках есть два типа носителей заряда : негативно заряженные электроны в зоне проводимости и положительно заряженные дыры в валентной зоне. Поскольку концентрация носителей растет с температурой по экспоненциальному закону, то так же быстро растет с температурой и проводимость полупроводников. Зато удельное сопротивление полупроводников так же стремительно падает с температурой, в отличие от металлов, где он линейно растет с температурой.