В случае изолятора прикладываемая разность потенциалов не вызывает ток. Тогда, хотя электрическое поле приложено и действует на электроны, они не способны двигаться. Модель этого материала представляется валентной зоной и зоной проводимости с запрещенной зоной между ними. Энергетический барьер слишком велик. Электронам необходима большая энергия, чтобы преодолеть его и перейти в зону проводимости (Рис. 12.16).

Алмаз, являясь изолятором, имеет запрещенную зону около 5 эВ (электронвольт (эВ) — единица энергии, это энергия, получаемая электроном при движении в поле с разностью потенциалов в 1 В, т.е. около 1.6*1(Г19 Дж).

Полупроводником считается материал с малым барьером между валентной зоной и зоной проводимости, типичное значение этого барьера около 1 эВ или меньше (Рис. 12.1 в). Это достаточно большая величина. Однако некоторые электроны в валентной зоне смогут преодолеть барьер при комнатной температуре, получив тепловую энергию за счет разности температур между О К и комнатной. В зоне проводимости со свободными уровнями энергии они могут легко двигаться. Итак, в валентной зоне имеется некоторое количество свободных уровней (называемых дырками), из которых электроны перешли в зону проводимости. Оставшиеся в валентной зоне дырки могут там передвигаться.

Рис. 12.1. Энергетические зоны для: а — хорошего проводника, б — изолятора, в — полупроводника;

С — зона проводимости, V — валентная зона

Полупроводники

Полупроводниковые элементы, германий и кремний, относятся к элементам IV группы Периодической таблицы, имеют атомы, которые связаны вместе в твердом состоянии, причем каждый атом образует четыре валентные связи с соседними атомами. В каждой такой связи совместно участвует пара электронов. Когда валентные электроны двигаются, то одна из связей разрывается и в этом месте появляется дырка. Под действием электрического поля, возникающего при приложении разности потенциалов к образцу материала, электрон соседнего атома может разорвать свою связь и заполнить дырку, и таким образом дырка переходит в новое положение. Появляется проводимость как результат коллективного передвижения электронов и дырок. Это подводит нас к пониманию дырок как частиц с положительным зарядом, поскольку под действием электрического поля они двигаются в противоположном направлении по сравнению с электронами. Так как все дырки образуются при освобождении из связей электронов, т.е. при переходе их из валентной зоны в зону проводимости, в этом случае будет равное число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, и в таком химически чистом полупроводнике присутствует собственная проводимость.

Свойства полупроводников можно изменять легированием, т.е. добавлением малого количества других элементов. Атомы кремния и германия имеют четыре валентных электрона. Если элементы имеют пять валентных электронов, например элементы V группы Периодической таблицы, такие как мышьяк, сурьма или фосфор, то такие примеси называются донорными, так как они замещают атомы кремния, образуя ковалентные связи четырех из пяти электронов с соседними атомами кремния, а пятый электрон они легко отдают для участия в проводимости. Мы можем представить эту ситуацию на рисунке уровнем энергии, называемым донорным уровнем, расположенным в запрещенной зоне между валентной зоной и зоной проводимости, но ближе к зоне проводимости (Рис. 12.2а). Энергетический барьер между донорным уровнем и зоной проводимости составляет около 0.01 эВ. То есть при комнатной температуре фактически все донорные электроны будут находиться в зоне проводимости. В результате этого получается, что в зоне проводимости больше электронов, чем дырок в валентной зоне. В этом случае электрическая проводимость будет больше при движении электронов, чем дырок. Такой полупроводник, в котором преобладают донорные примеси, называется электронным, или я-типа.


⇐ назад к прежней странице | | перейти на следующую страницу ⇒