Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим случай, когда все энергетические уровни зоны заполнены электронами. Если это имеет место в отсутствие электрического поля, то то же самое будет и после наложения слабого поля. Движение электрона в квантовой механике следует рассматривать как процесс перехода его из одного возможного квантового состояния в другое. Для возможности такого перехода необходимо, чтобы конечное квантовое состояние было свободно, т. е. не занято электроном. Но по условию все квантовые состояния зоны заполнены электронами. В этом случае между различными квантовыми состояниями зоны невозможны никакие квантовые переходы, а потому электроны зоны не могут быть носителями электрического тока.
Рассмотрим теперь случай, когда только часть возможных квантовых уровней зоны заполнена электронами, а остальные уровни свободны. Если нет теплового движения или других источников, поставляющих энергию электронам, то заполненными окажутся все уровни с самыми низкими значениями энергии. Более высокие уровни окажутся свободными. То же будет и после наложения постоянного электрического поля Е. Однако при этом произойдет смещение энергетических уровней. Уровни, бывшие наиболее низкими в отсутствие электрического поля, могут перестать быть таковыми после наложения поля. Получится другая система наиболее
§ 1001
металлы и полупроводники
455
низких энергетических уровней. Начнутся квантовые переходы на эти уровни с прежних заполненных уровней. Они будут сопровождаться пространственными перемещениями электронов в направлении против электрического поля. Если электроны не могут уходить из тела, то этот процесс быстро прекратится, так как возникшие пространственные заряды создадут поле, которое внутри тела уничтожит внешнее приложенное поле. Если же смещающиеся электроны непрерывно отводить от тела (это происходит в замкнутой электрической цепи), то квантовые переходы электронов будут продолжаться непрерывно, пока в электрической цепи действует генератор, создающий в теле электрическое поле. Такие квантовые
Свободная
зона
Заполненная зона
I---------\3с
1___________И
Запрещенная
зона
Рис. 241.
переходы и приводят к возникновению электрического тока в цепи. Таким образом, для возможности электрического тока необходимо, чтобы энергетическая зона была заполнена электронами не целиком, а частично.
5. В металлах основная энергетическая зона валентных электронов может быть отделена запрещенной зоной конечной ширины от вышележащей зоны возбужденных уровней (рис. 241, а). Но может быть и такой случай, когда ширина запрещенной зоны равна нулю, т. е. основная зона примыкает или даже перекрывается с ближайшей зоной возбужденных уровней (рис. 241, б). Этот случай сводится к предыдущему, так как обе зоны можно объединить в одну, рассматривая последнюю как основную зону. В металлах основная зона всегда заполнена только частично. Благодаря этому металлы и являются проводниками электрического тока.
В полупроводниках основная зона отделена от зоны возбужденных уровней конечным интервалом энергии Ае (рис. 241, в). Основную зону полупроводника принято называть валентной, а зону воз-
456 ТОКИ В МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ВАКУУМЕ [ГЛ. VII
бужденных уровней — зоной проводимости. При абсолютном нуле температур валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости — полностью свободна. Поэтому при абсолютном нуле температур полупроводники не проводят электрического тока, т. е. являются изоляторами. Изоляторы отличаются от полупроводников только большими значениями ширины запрещенной зоны Дє. Условно к изоляторам относят те полупроводники, для которых Ає превосходит примерно 2 эВ. Никакого качественного различия между полупроводниками и изоляторами нет. Различие — чисто количественное.
При повышении температуры электроны начинают обмениваться энергией с ионами кристаллической решетки. Благодаря этому электрон может получить добавочную кинетическую энергию порядка ТгТ. Этой энергии может оказаться достаточно, чтобы некоторые электроны перевести из валентной зоны в зону проводимости. Такие электроны, перейдя в зону проводимости, начинают проводить электрический ток. Но проводимость возникает и по другой причине. В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, не занятые электронами. Такие квантовые состояния получили весьма неудачное название дырок. Дырки также являются носителями электрического тока.
Действительно, при наличии дырок электроны могут рекомбинировать с ними, т. е. совершать квантовые переходы из каких-то квантовых состояний в незаполненные состояния, т. е. дырки. Прежние заполненные состояния при этом освобождаются, т. е. превращаются в дырки. Последние в свою очередь могут рекомбинировать с другими электронами с образованием новых дырок и т. д. В результате этих процессов установится вполне определенная равновесная концентрация дырок, которая при отсутствии электрического поля будет одна и та же по всему объему полупроводника. При наличии электрического поля однородное распределение дырок в полупроводнике нарушится. Всякий квантовый переход электрона, сопровождающийся его перемещением против поля, уменьшает, а переход, связанный с перемещением в направлении поля, увеличивает потенциальную энергию системы. Поэтому первые переходы будут преобладать над вторыми. Это значит, что через полупроводник потечет электрический ток в направлении приложенного электрического поля Е. В незамкнутом полупроводнике ток будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле не компенсирует внешнее приложенное поле Е. Однако если непрерывно отводить перемещающиеся электроны (как это делается в замкнутой электрической цепи), то ток будет течь непрерывно. Конечный результат явления получается таким же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные частицы — дырки. Поэтому различают электронную и дырочную проводимость полупроводников.
