|
часть
электронов
из
валентной
зоны
в
зону
проводимости
,
где
они
принимают
участие
в
переносе
заряда
,
то
есть
в
электрическом
токе
.
Этот
процесс
называют
генерацией
тока
.
Процесс
обратно
-
го
перехода
электрона
из
зоны
проводимости
в
валентную
зону
называют
рекомбинацией
.
Плотность
электронов
,
достигающих
зоны
проводимости
в
процессе
теплового
возбуждения
,
относи
-
тельно
мала
,
но
ей
уже
нельзя
пренебречь
,
так
что
возникает
95
небольшая
проводимость
,
отсюда
и
термин
–
полупроводник
.
Ма
-
териалы
такого
типа
называют
собственными
полупроводниками
.
Полупроводник
может
быть
легирован
донорами
,
которые
легко
отдают
электроны
в
зону
проводимости
,
где
те
переносят
ток
.
Материал
может
быть
легирован
и
акцепторами
,
захваты
-
вающими
электроны
из
валентной
зоны
и
оставляющими
в
ней
эффективные
положительные
заряды
,
называемые
дырками
,
ко
-
торые
также
являются
носителями
тока
.
Энергетические
уровни
таких
доноров
и
акцепторов
лежат
внутри
запрещенной
зоны
,
как
показано
на
рис
. 5.10.
В
первом
случае
говорят
о
проводимо
-
сти
n-
типа
,
так
как
основными
носителями
тока
являются
отрица
-
тельно
(
negative)
заряженные
электроны
,
а
во
втором
–
р
-
типа
,
так
как
основные
носители
–
положительно
(
positive)
заряженные
вакансии
(
дырки
).
Материалы
такого
типа
обладают
примесной
(
несобственной
)
проводимостью
.
Акцепторные
уровни
распо
-
ложены
выше
потолка
валентной
зоны
на
∆
Е
А
.
Донорные
уров
-
ни
лежат
ниже
дна
зоны
проводимости
на
∆
Е
D
.
Уровни
глубо
-
ких
ловушек
электронов
,
которыми
могут
быть
,
например
,
де
-
фекты
кристаллического
строения
,
лежат
вблизи
середины
запрещенной
зоны
.
Рис
. 5.10.
Энергетическая
схема
локальных
уровней
в
запрещенной
зоне
полупроводника
Проводники
–
это
материалы
с
заполненной
валентной
зо
-
ной
и
зоной
проводимости
,
частично
заполненной
делокализо
-
96
ванными
электронами
,
выступающими
эффективными
носите
-
лями
электрического
тока
.
Положительно
заряженные
ионы
ме
-
таллов
,
расположенные
в
узлах
кристаллической
решетки
,
отдают
свои
внешние
электроны
в
зону
проводимости
и
остаются
поло
-
жительно
заряженной
основой
для
обобществленных
электронов
.
На
рис
. 5.9,
в
показана
зонная
структура
для
этого
случая
.
Образование
зонного
энергетического
спектра
является
квантово
-
механическим
эффектом
и
вытекает
из
соотношения
неопределенностей
.
Валентные
электроны
переходят
от
атома
к
атому
сквозь
потенциальный
барьер
(
туннельный
эффект
).
Время
жизни
связано
с
неопределенностью
энергии
∆
Е
∼
h/
∆τ
.
Среднее
время
жизни
валентного
электрона
уменьшается
от
10
−
8
с
(
изолированный
атом
)
до
10
−
15
с
,
при
этом
ширина
спек
-
тральных
линий
увеличивается
с
естественной
10
−
7
эВ
до
значений
в
кристалле
∆
Е
∼
1–10
эВ
.
5.4.
Энергетический
спектр
кристалла
Энергетический
спектр
кристалла
непосредственно
связан
с
энергетическим
спектром
тех
атомов
,
которые
входят
в
его
состав
.
В
состав
реального
кристалла
входят
как
собственные
,
так
и
примесные
атомы
.
В
производстве
оптических
волокон
,
интегральных
микросхем
используют
достаточно
чистые
кри
-
сталлы
.
В
них
содержание
примесных
атомов
обычно
не
пре
-
вышает
10
–6
%
от
концентрации
собственных
атомов
(~5·10
22
см
–3
).
Примесные
атомы
находятся
в
кристалле
в
среднем
на
таких
расстояниях
друг
от
друга
,
что
практически
не
взаимодействуют
между
собой
.
Их
энергетические
спектры
подобны
спектрам
свободных
атомов
,
т
.
е
.
дискретны
,
хотя
и
изменены
воздействи
-
ем
собственных
атомов
кристалла
.
Примесные
уровни
опреде
-
ляют
тип
и
величину
электропроводности
кристалла
и
влияют
на
характеристики
приборных
микро
-,
опто
-
и
наноэлектрон
ных
97
структур
.
Взаимодействие
собственных
атомов
друг
с
другом
существенно
изменяет
их
энергетический
спектр
.
Высоко
распо
-
ложенные
дискретные
энергетические
уровни
изолированных
атомов
превращаются
(
при
объединении
атомов
в
кристалл
)
в
широкие
энергетические
полосы
–
зоны
.
Коренным
образом
изменяется
и
зависимость
потенциальной
энергии
электрона
от
координат
U(x);
она
становится
периодической
.
Одномерная
энергетическая
модель
кристалла
схематиче
-
ски
представлена
на
рис
. 5.11.
Соседние
атомы
кристалла
так
из
-
меняют
потенциальное
поле
друг
друга
,
что
оно
превращается
в
периодическую
совокупность
потенциальных
барьеров
и
по
-
тенциальных
ям
.
Функция
U(x)
становится
периодической
.
Реше
-
ние
уравнения
Шрёдингера
для
такого
случая
(
независимо
от
конкретных
особенностей
периодического
потенциала
)
всегда
дает
зонный
энергетический
спектр
.
Внешние
электроны
атомов
принадлежат
всему
кристаллу
,
так
как
легко
туннелируют
сквозь
потенциальные
барьеры
(
см
.
рис
. 5.11).
Рис
. 5.11.
Одномерная
энергетическая
модель
кристалла
:
а
–
межатомное
расстояние
;
L –
общий
размер
кристалла
;
А
–
потенциальный
барьер
,
ограничивающий
переход
электронов
от
одного
атома
к
соседнему
;
В
–
потенциальная
яма
Связь
зонного
энергетического
спектра
кристалла
с
дис
-
кретным
энергетическим
спектром
атомов
,
из
которых
состоит
кристалл
,
можно
пояснить
с
помощью
мысленной
процедуры
98
образования
кристалла
из
первоначально
разнесенных
на
боль
-
шое
расстояние
друг
от
друга
атомов
.
Основные
электрические
и
оптические
свойства
кристал
-
лов
определяются
особенностями
разрешенных
зон
:
валентной
зоны
и
зоны
проводимости
,
а
также
энергетическим
проме
-
жутком
∆
Е
между
этими
зонами
–
запрещенной
зоной
.
Если
за
-
прещенная
зона
отсутствует
(
∆
Е
= 0),
то
соответствующее
вещество
относится
к
металлам
(
проводникам
).
К
металлам
относятся
и
такие
вещества
,
для
которых
∆
Е
> 0,
но
не
все
квантовые
состояния
валентной
зоны
заняты
электронами
.
У
непроводников
(
диэлектриков
и
полупроводников
)
∆
Е
> 0,
кван
-
товые
состояния
валентной
зоны
при
абсолютном
нуле
темпе
-
ратур
(
Т
= 0)
полностью
заняты
электронами
,
а
зона
проводи
-
мости
электронов
их
не
содержит
.
Если
0 <
∆
Е
< 3
эВ
,
то
вещество
относится
к
полупровод
-
никам
.
Для
диэлектриков
∆
Е
> 3
эВ
.
Такое
Do'stlaringiz bilan baham: |
