4.4 Заповнення зон електронами. Провідники, діелектрики, напівпровідники

Енергетична зона має велику, але обмежену кількість енерге­тичних рівнів, на кожному з яких може знаходитись по два електрони з протилежними спінами. По характеру заповнення електронами вале­нтної зони і зони провідності, а саме вони визначають електричні вла­стивості, всі тіла поділяються на дві групи:

а) тіла з частково заповненими зонами, рис.4.5,а;

б) тіла з повністю заповненими і зовсім вільними зонами, рис.4.5,б.

 

Тіла 1-ї групи являються хорошими електропровідниками. Це метали. При протіканні електричного струму електрон прискорюється електричним полем. Його енергія збільшується. На енергетичній зон­ній діаграмі цей процес відповідає переходу 1 { рис.4.5,а) на більш ви­сокий енергетичний рівень. А такий перехід можливий тільки тоді, коли останній вільний. В противному разі, згідно з принципом Паулі, такий перехід не можливий. Далі електрон стикається з атомом, дефе­ктом кристалу, фононом, поверхнею кристалу і т. ін., тобто розсіюєть­ся. Його енергія зменшується, що відповідає переходу 2 (рис.4.5,а). А далі все повторюється. Не дивлячись на те, що електрон фактично по­вертається у початковий енергетичний стан, просторово він переміщу-

ється по кристалу, що на зонній діаграмі не відображається. Частково заповнені зони утворюються: 1) за рахунок перекриття валентної зони і зони провідності, тобто коли заборонена зона відсутня; 2) коли елек­трон переходить із валентної зони в зону провідності, долаючи забо­ронену зону, рис.4.5,б, перехід 3. Для такого переходу електрон по­винен одержати енергію, не меншу ніж ширина забороненої зони. Зрозуміло, що чим вона більша, тим менше електронів здійснюють такі переходи і тим менша електропровідність кристалу. Тому речови­ни з широкою забороненою зоною являються хорошими діелектрика­ми. Наприклад, алмаз (ДЕ8 = 5,2 еВ), сапфір (ДЕ8 = 7 еВ). По значенню ширини забороненої зони тіла поділяються на діелектрики (ДЕ8 > 3 еВ) і напівпровідники (< 3 еВ). Межа 3 еВ умовна. Напри­клад, такий напівпровідник, як сульфід цинку (£пБ) має ширину забо­роненої зони 3,8 еВ. Із підвищенням температури кількість електронів, здатних подолати заборонену зону за рахунок теплової енергії, збільшується, зростає електропровідність.

Перехід 3 приводить до появи не тільки вільного електрона в зоні провідності, а і вільної дірки у валентній зоні, яка теж приймає участь в електропровідності. Така біполярна електропровідність хара­ктерна для власних (чистих) напівпровідників.

Наявність домішок у напівпровідниках суттєво змінює їхню електропровідність. Розглянемо цей домішковий механізм електро­провідності. Домішкові атоми мають іншу валентність, ніж валент­ність регулярних атомів. Якщо вона більша, домішка називається до-норною (збільшує концентрацію вільних електронів), якщо менша -акцепторною (збільшує концентрацію дірок). Наприклад, для 4-х ва­лентного германію (Сїе) 5-ти валентний миш'як (Аб) являється доно­ром, а 3-х валентний індій (Іп) акцептором. Під дією внутрішнього поля кристалу енергія зв'язку валентних електронів атомів домішки зменшується і ці атоми легко іонізуються. Енергетичний рівень домі­шки, як правило, знаходиться в забороненій зоні: донорної ближче до зони провідності, акцепторної до валентної зони, рис.4.6. Енергія іоні­зації домішкових атомів значно менше, ніж ширина забороненої зони. Наприклад, для Се ДЕ8 ~ 0,7 еВ, а енергія активації індію чи миш'яку Ер ~ Ед ~ 0,01 еВ. Тому спочатку іонізуються домішкові атоми, а по­тім відбуваються переходи зона-зона.а) Донорний

б) Акцепт орний

Іонізація донорних атомів приводить до появи в зоні провідно­сті вільних електронів і нерухомих позитивних іонів донора (рис.4.6,а), а іонізація акцепторних атомів - до появи дірок у валент­ній зоні і нерухомих негативних іонів акцептора (рис.4.6,6). Таким чином, електропровідність домішкових напівпровідників зумовлена носіями одного знаку донорних (п-типу) - електронами, акцепторних (р-типу) - дірками. Домішкові напівпровідники мають уніполярну електропровідність.