• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com


Запрещенная зона

Зоны проводимости и валентная отделены запрещенной зоной (ЗЗ) –
рис. 1, в которой отсутствуют все носители зарядов (энергетическая щель). Физический смысл ЗЗ состоит в том, что ее ширина есть энергия, необходимая для переброса электрона из ВЗ в ЗП:

(1)

В формуле (1) Wc – минимальная энергия дна зоны проводимости, эВ;
Wy – максимальная энергия потолка валентной зоны, эВ.

В соответствии с этим, ширина ЗЗ при абсолютной нулевой температуре является основополагающим критерием в классификации электротехнических материалов по электропроводящим свойствам [4]. Так у металлов ВЗ и ЗП часто взаимно перекрываются, поэтому при T = 0 K металл электропроводен (рис. 2, а).


Рис. 2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

При этом в металле электроны свободны и могут легко переходить с уровней заполненной вакантной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием даже слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля. Электропроводность металлов характеризуется величиной электронной проводимости или удельным сопротивлением .

Ширина ЗЗ у полупроводников составляет , т.е. достаточно узка, поэтому при некоторой температуре, отличной от нуля, часть валентных электронов за счет упомянутого теплового возбуждения приобретает дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи и перехода в зону проводимости, где они становятся свободными, а полупроводник – электропроводным (рис. 2,б). В чистых (собственных) полупроводниках ширина ЗЗ составляет – для германия (Ge–32) или , для кремния (Si–14) или .Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах .

Диэлектриками являются материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронная электропроводность в обычных условиях не наблюдается. Ширина ЗЗ диэлектриков , а электропроводность составляет величину , т.е. чрезвычайно мала. Как было упомянуто ранее, тепловое движение атомов, а также внешнее электрическое поле в обычных условиях не в состоянии сообщить электрону энергию для переброса электронов из ВЗ в ЗП. Эта энергия должна быть не менее чем ширина запрещенной зоны [5].

Напомним, что 1эВ есть величина энергии, обусловливающая ширину энергетических состояний (полос, уровней и т. д.) в твердом теле, которая приобретается или теряется электроном при его перемещении между двумя точками электрического поля, потенциалы которых различаются на 1эВ. Энергия

1эВ = 1,6•10-19Дж, а 1Дж = 6,24•1018эВ.

На рис. 1 отмечен также уровень Ферми WF, характеризующий величину энергии электронов с вероятностью заполнения этого уровня, равную 0,5 при отличной от абсолютного нуля температуре.


В зонной теории твердого тела этот уровень, называемый также электрохимическим (иногда химическим) потенциалом, имеет важнейшее значение, поскольку, являясь функцией концентрации носителей заряда, определяет в итоге вероятность преодоления электронами запрещенной зоны и степень электропроводности полупроводника в целом [6]. Как видно из рис. 1, в собственном полупроводнике WF находится в середине ЗЗ. Это легко понять, если учесть, что процесс активации (переброс) электронов из ВЗ в ЗП требует величину энергии, равную ширине запрещенной зоны, одна половина которой затрачивается на переброс электронов, а другая – на образование в ВЗ такого же числа дырок. Таким образом, энергия должна делиться на две равные части, а начало отсчета для этих процессов должно находиться в середине ЗЗ. Поэтому уровень Ферми можно трактовать как энергию, от которой происходит процесс возбуждения электронов и дырок и которая является средней энергией, приходящейся на каждый из носителей заряда [7].

Зависимости электропроводности от температуры

При этом в области комнатных температур, при которых обычно работает полупроводниковый прибор, влияние...

читать далее

Стабилизатор переменного напряжения

Одна из возможных схем стабилизатора переменного напряжения на кремниевых стабилитронах приведена...

читать далее

Фотопреобразовательный режим работы фотодиода

Во этом случае фотодиод подобен действию фоторезистора. В этом (фотодиодном) режиме диод включается с помощью внешнего...

читать далее