Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
УРА КРИСТАЛЛОВ
289
Проводимость в почти пустой зоне осуществляется электронами с положительной массой и отрицательным зарядом. Проводимость почти заполненной зоны обусловлена движением небольшого числа незанятых состояний — положительных дырок, каждая из которых имеет положительную эффективную массу и положительный электрический заряд.
Равновесные и неравновесные носители. В собственных полупроводниках при отличных от абсолютного нуля температурах имеются как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне. Другими словами, при конечной температуре полупроводник находится не в основном состоянии (т. е. состоянии с наинизшей энергией), а в некотором возбужденном состоянии, которое, однако, является состоянием термодинамического равновесия с характерным для него распределением электронов по разрешенным уровням энергии.
Электроны и дырки, концентрация которых соответствует такому термодинамическому равновесию, называют равновесными. Сильной зависимостью равновесной концентрации свободных носителей от температуры объясняется быстрый рост электропроводности полупроводника при увеличении температуры.
Свободные носители тока в полупроводнике могут существовать не только благодаря термическому возбуждению кристалла, но и в результате внешних воздействий. Например, при освещении кристалла в результате поглощения фотонов могут происходить переходы электронов с уровней энергии валентной зоны на уровни энергии зоны проводимости (внутренний фотоэффект). Для этого энергия фотона должна быть не меньше ширины запрещенной зоны. Каждый поглощенный фотон рождает дополнительно пару электрон—дырка. В результате при освещении концентрация свободных носителей становится выше равновесной. Поэтому возбуждаемые светом носители тока называют неравновесными. Обусловленное светом увеличение электропроводности кристалла называют фотопроводимостью.
Наряду с процессами фотовозбуждения неравновесных носителей идет обратный процесс рекомбинации электронов и дырок, при котором электрон возвращается из зоны проводимости на свободное место в валентной зоне. Об этом процессе иногда говорят как об аннигиляции электронно-дырочной пары.
При продолжительном освещении устанавливается стационарное значение концентрации неравновесных носителей. После прекращения освещения концентрация свободных носителей постепенно возвращается к своему равновесному значению. При этом концентрация неравновесных носителей убывает со временем по экспоненциальному закону, а характерное время ее уменьшения (за которое концентрация убывает в е»2,72 раза) называется временем жизни неравновесных носителей тока.
290
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Как и свободная частица, электрон в кристалле под действием постоянного электрического поля движется равноускоренно. Иными словами, идеально регулярное периодическое потенциальное поле не оказывает сопротивления электрическому току. Закон Ома в идеальном кристалле не может выполняться, так как он имеет место только тогда, когда движение зарядов в электрическом поле происходит с постоянной средней скоростью. Сопротивление электрическому току в реальном кристалле обусловлено не потенциальными барьерами периодического поля, а отступлениями поля реального кристалла от строгой периодичности либо за счет тепловых колебаний атомов, образующих кристалл, либо за счет различного рода дефектов решетки — примесей, вакансий и т. п.
• Как объяснить существование разрешенных и запрещенных энергетических зон электронов в кристаллах, исходя из представлений о дискретных энергетических уровнях электронов в изолированных атомах?
• Чем отличается заполнение энергетических зон в полупроводниках, диэлектриках и металлах?
• Чем отличаются друг от друга собственные и примесные полупроводники?
• Что такое квазиимпульс электрона в кристалле и чем он отличается от импульса свободной частицы?
• Что такое зона Бриллюэна? Объясните, зачем вводится это понятие.
• Почему в стационарном состоянии в кристалле, которое характеризуется определенным значением квазиимпульса, электрон не локализован, т. е. с равной вероятностью может быть обнаружен вблизи любого узла решетки?
• Что понимают под эффективной массой электрона в кристалле? Почему для зависимости энергии электрона от квазиимпульса используются разные выражения (1) и (2)?
• Что такое положительная дырка? В каких случаях движение электронов в кристалле удобно описывать, используя понятие дырки?
• Поясните роль принципа Паули в объяснении невозможности вклада электронов целиком заполненной энергетической зоны в электропроводность кристалла.
• Что такое равновесные и неравновесные носители тока в кристалле? Каким способом могут создаваться неравновесные носители?
• Может ли выполняться закон Ома в идеальной строго периодической кристаллической структуре? Почему?
• Какие причины вызывают сопротивление электрическому току в реальном кристалле?
§ 35. Электронные свойства металлов
Многие макроскопические свойства металлов, обусловленные наличием в них электронов проводимости, невозможно объяснить на основе классической статистической механики. Объяснение поведения
