Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Валентные электроны атомов натрия в кристалле заполняют наполовину уровни зоны разрешенных значений энергии (заштрихованы горизонтально на рис. VII.2.12). Эта зона называется зоной проводимости, потому что находящиеся в ней электроны участвуют в создании тока проводимости (III. 7.1.2°). Под действием электрического поля, создаваемого в кристалле источником электрической энергии, валентные электроны увеличивают свою энергию и переходят на более высокие свободные энергетические уровни в зоне проводимости. При этом они приходят в упорядоченное движение и по кристаллу идет ток.
Таким образом, если зона не полностью занята валентными электронами, то твердое тело всегда является проводником электрического тока.
3°. В кристаллах возможна гибридизация разрешенных энергетических зон. Зона, возникшая при расщеплении верхнего возбужденного уровня, может перекрываться с зоной, возникшей за счет расщепления нижнего состояния валентных электронов. Это наблюдается у кристаллов элементов второй группы периодической системы Менделеева (Be, Cd, Mg, Zn). При этом образуется более широкая гибридная зона, в которой размещаются валентные электроны, заполняя ее лишь частично. Поэтому гибридная зона является зоной проводимости, а такие кристаллы — проводниками электрического тока.
4°. В твердых диэлектриках энергетические зоны не перекрываются, и зона, объединяющая энергетические уровни валентных электронов атомов или ионов, целиком заполнена электронами, а все вышерасположенные зоны при T = OK совершенно пусты. Зона, целиком заполненная электронами, называется валентной зоной, а вышележащая пустая — зоной проводимости. Примером кристаллического диэлектрика слу-
§ VII.2.10. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 615
жит поваренная соль (NaCl). В молекуле NaCl осуществляется гетерополярная связь (VI.2.4.4°), приводящая к образованию
ионов Na+ и Cl- с полностью застроенными электронными слоями. В кристалле NaCl имеется валентная зона иона СГ(все нижележащие зоны целиком заполнены электронами), а лежащая выше верхняя зона иона Na+ совершенно пуста. Зоны
Cl- и Na+ раздвинуты на 6 эВ, и электрическое поле источника электрической энергии не может перевести электроны из целиком заполненной зоны Cl- в свободную зону проводимости Na+. Этим объясняются диэлектрические свойства NaCl.
§ VII.2.10. Электропроводность полупроводников
1°. Полупроводниками называется большое число веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от IO-5 до IO8 Ом • м и очень быстро, по экспоненциальному закону, уменьшается с повышением температуры (п. 2°). Типичными, наиболее широко применяемыми полупроводниками являются химические элементы германий, кремний и теллур. На внешней оболочке атомов германия и кремния находятся четыре валентных электрона, которые ковалентными связями (VI.2.4.5°) связаны с валентными электронами соседних атомов. В химически чистых кристаллах этих полупроводников отсутствуют «свободные» валентные электроны. С точки зрения зонной теории (VII.2.8.2°) кристаллические полупроводники относятся к типу твердых тел, у которых валентная зона (VII.2.9.4°) отделена от пустой зоны проводимости (при T=OK) сравнительно узким интервалом энергии AW0 (рис. VII.2.13), меньшим, чем у диэлектрических кристаллов (VII.2.9.4°). У кремния AW0 =1,1 эВ, у германия — 0,72 эВ.
2°. Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Электронная проводимость (проводимость п-типа) возникает при перебросе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для этого нужно за-
616
ГЛ. VII.2. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
тратить энергию, не меньшую, чем ширина AW0 запрещенной зоны (рис. VII.2.13). Величина AW0 называется энергией активации собственной проводимости. С повышением температуры полупроводника растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят из валентной зоны в зону проводимости и участвуют в электропроводности.
3°. Перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости означает, что ковалентные связи (VI.2.4.50) в атомах кристалла полупроводника нарушаются. Какой-либо из валентных электронов одного из атомов в решетке покидает свое место. В оставленном им месте возникает избыток положительного заряда — положительная дырка. С точки зрения зонной теории это означает, что в валентной зоне кристалла появляется вакантный энергетический уровень. Положительная дырка ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На освобожденное электроном место (дырку) может переместиться другой электрон, а это равносильно перемещению положительной дырки— она появится в новом месте, откуда ушел электрон. Во внешнем электрическом поле электроны проводимости полупроводника движутся в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля (111.2.1.2°). Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности поля, т. е. в ту сторону, куда под действием электрического поля перемещался бы положительный заряд.
