Физика твердого тела металлы диэлектрики полупроводники

В зависимости от ширины запрещенной зоны (Eg) все твердые тела подразделяются на металлы (Eg < 0,08 эВ), диэлектрики (Eg > 3 эВ), полупроводники (0,08 эВ < Eg < 3 эВ).

Металл – кристалл, в котором либо имеется зона проводимости, в которой не все энергетические уровни заняты электронами, либо зона проводимости и валентная зона перекрываются.

Ширина запрещенной зоны равна нулю, или ее величина меньше тепловой энергии кристалла, которая составляет величину порядка 3kT, что при T=300К примерно равно 0,08 эВ.

В металлах число свободных электронов сравнимо с числом атомов в том же объеме (~1022 атом/см3), при этом концентрация электронов не зависит от температуры. Электропроводность при T»300K велика. Металлами являются кристаллические вещества с металлическим типом химической связи.

Диэлектрик и полупроводник имеют ширину запрещенной зоны больше, чем энергия тепловых колебаний решетки. Если ширина запрещенной зоны не слишком велика, то существует вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет тепловых колебаний решетки, либо за счет поглощения кванта света.

Условной границей подразделения кристаллов на полупроводники и диэлектрики является ширина запрещенной зоны, при которой возможен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости при поглощении кванта видимого света.

Энергия кванта, соответствующего коротковолновой границе видимой области света (l ~ 400 нм), составляет величину hn ~ 3 эВ.

Полупроводник – кристалл, у которого все энергетические уровни валентной зоны при T=0К заняты, а ширина запрещенной зоны составляет величину в интервале 0,08 эВ kT), концентрация свободных электронов равна нулю. Электропроводность незначительна, слабо зависит от температуры. Как правило, это молекулярные кристаллы и вещества с ионным или ион-ковалентным типом химической связи.

Пример 1. Металлический кристалл Li. Валентные электроны 2s1. 2s-атомные орбитали образуют зону, которая заполнена только наполовину.

Пример 2. Металлический кристалл Mg. Валентные электроны 3s2. Валентная зона магния заполнена электронами полностью, свободные уровни, которые могли бы обеспечить перемещение электронов в валентной зоне, отсутствуют. Ближайшая по энергии зона, зона проводимости, образованная свободными 3p атомными орбиталями, перекрывается с валентной зоной.

Пример 3. Кристалл Si. Валентные электроны 3s23p2. Кремний – ковалентный кристалл, связи осуществляются электронами, располагающимися на sp3-гибридных орбиталях, которые образуют как валентную зону, так и зону проводимости.

Каждый атом кремния имеет 4 sp3-гибридные орбитали, то есть в кристалле, состоящем из N атомов, имеется 8N энергетических состояний электронов. Нижняя по энергии половина из них при Т=0 К полностью заселена, образуя валентную зону, а верхняя свободна, образуя зону проводимости.

В отличие от магния, в кристалле кремния валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Ширина запрещенной зоны составляет величину Eg=1,12 эВ. Кристалл кремния – полупроводник.

Пример 4. Кристалл NaCl. Химическая связь в этом кристалле относится к ионному типу. Валентную зону образуют заполненные орбитали Cl- – 3s23p6, а зону проводимости свободные орбитали Na+ – 3s0.

В кристалле хлорида натрия, так же как и в случае с кристаллом кремния, валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Но ширина запрещенной зоны много больше, чем у кремния, Eg = 7,7 эВ, хлорид натрия – диэлектрик.

Кристаллические материалы

Наиболее близким к идеальному понятию кристалл является монокристаллический материал. Монокристалл (монос – один) – твердое вещество с непрерывной кристаллической решеткой во всем объеме физического тела.

Линейные размеры монокристаллов могут составлять доли микрометра и доходить до ~1 м. Монокристаллы, в силу своего внутреннего строения, обладают анизотропными свойствами.

Анизотропия (анизос – неравный, тропос – направление) – зависимость физических и физико-химических свойств тела от направления в кристалле.

Если в рассматриваемом физическом теле имеется несколько различным образом ориентированных, связанных между собой сильными химическими связями монокристаллов, то данное тело представляет собою блочный монокристалл. Границы отдельных блоков (монокристаллов) – дефекты кристаллической структуры.

Гораздо более распространены в природе твердые тела, состоящие из большого числа произвольно ориентированных относительно друг друга мелких монокристаллов, сцепленных как сильными, так и слабыми химическими связями.

Такие тела называются поликристаллами (полис – многочисленный).

Поликристаллические тела, вследствие усреднения анизотропных свойств отдельных произвольно ориентированных монокристаллов, обладают изотропией физических и физико-химических свойств.

Дефекты кристаллической решетки.

Если структура твердого тела соответствует идеальной кристаллической решетке, то система находится в состоянии с минимумом энергии. Это соответствует состоянию идеального кристалла при Т = 0 К.

Любое сообщение системе дополнительного количества энергии переводит ее в возбужденное состояние, при этом в кристалле нарушается строгая периодичность расположения частиц в кристаллической решетке, то есть создаются дефекты.

Другим типом дефектов являются нарушения регулярности решетки, связанные с примесями, которые появились в кристалле случайно (химические примеси) или были введены в него преднамеренно (легирующие добавки). С дефектами связаны многие физические и химические свойства кристаллов (электропроводность, прочность, оптические свойства, коррозионная стойкость и др.).

Различают точечные дефекты, одномерные (дислокации) и двумерные (поверхности, границы кристаллических зерен), объемные (пузыри). Дефекты возникают как в процессе кристаллизации, так и в результате внешних воздействий на кристалл. Создание дефектов связано с разрывом имеющихся химических связей между атомами кристалла или образованием дополнительных связей.

Точечные дефекты.

Простейшими из точечных дефектов в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки. Электронно-дырочная пара образуются в результате асимметричного разрыва химической связи между атомами кристалла при поглощении тепловой энергии.

При этом один из атомов приобретает избыточный отрицательный заряд за счет дополнительного валентного электрона (электрон проводимости), а другой – избыточный положительный заряд (дырка). Оба дефекта могут перемещаться по кристаллу независимо друг от друга.

Электрон проводимости перемещается путем эстафетной передачи избыточного электрона от атома к атому, а дырка – путем эстафетного захвата электрона от атома к атому.

В процессе образования электронно-дырочных пар большую роль играют примесные атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки.

Атомы примеси, имеющие число валентных электронов большее, чем число связей с ближайшими соседями (электронно-избыточные примеси), являются источником электронов проводимости. Образующиеся при этом дырки локализованы на примесном атоме и не могут мигрировать по кристаллу.

Атомы примеси, имеющие число валентных электронов меньше, чем число связей с ближайшими соседями (электронно-дефицитные примеси), являются источником дырок, а электрон будет локализован на атоме примеси.

Энергия, необходимая для образования электронно-дырочных пар, может быть сообщена кристаллу не только нагреванием, но и при поглощении электромагнитного излучения. Причем энергия кванта электромагнитного излучения должна быть больше, чем ширина запрещенной зоны (энергии ионизации химической связи).

Необходимо отметить, что в кристаллах диэлектриков электронно-дырочные пары не образуются при подводе тепловой энергии из-за большой величины ширины запрещенной зоны. Они могут быть образованы при поглощении электромагнитного излучения достаточной энергии или ионизирующего излучения.

В кристаллах могут быть дефекты, образованные без разрыва химической связи, напримерэкситоны(от лат. excito – возбуждаю) – квазичастицы, представляющие собою возбужденные состояния атомов кристаллической решетки. Возбуждения могут передаваться от атома к атому, мигрируя по кристаллу.

Точечные дефекты, связанные с нарушением регулярности расположения частиц в кристалле, могут быть собственными – разупорядочение решетки, и примесными – присутствие в кристалле посторонних атомов (рис. 4.14).

Рис. 4‑14 Точечные дефекты в решетке ионного кристалла: A+G – катионы в узлах решетки; B-G − анионы в узлах решетки; вакансии: Vc – катионные; Va – анионные; межузельные ионы: A+I – катион; B-I − анион; примесные ионы в узле решетки: катион (P+G) или анион (P-G); примесный атом или ион в межузельном положении (PI)

Собственные дефекты: вакансия – отсутствие в узле решетки частицы, образующей кристалл; межузельные атомы или ионы.

В ионных кристаллах отсутствие в узле решетки катиона или аниона (катионные и анионные вакансии) нарушает баланс электрических зарядов в кристалле. Поэтому в кристалле должно быть либо равное количество катионных и анионных вакансий (дефекты Шоттки), либо на каждую ионную вакансию необходимо равное количество межузельных частиц того же знака (дефекты Френкеля).

Собственные дефекты образуются в кристалле в результате теплового движения частиц при температурах выше 0 К.

Для создания собственного дефекта частица должна перейти из узла решетки в междоузлие, для этого частице необходимо преодолеть потенциальный барьер, который называется энергией образования дефекта (Ед).

Вероятность преодоления потенциального барьера и образования дефекта определяется количеством частиц, имеющих энергию большую, чем энергия Ед.

Из молекулярно-кинетической теории известно, что доля таких частиц зависит от температуры и пропорциональна множителю . Таким образом, каждой температуре соответствует равновесная концентрация собственных дефектов (n), которая экспоненциально увеличивается с ростом температуры:

где А – предэкспоненциальный множитель, k – константа Больцмана; T – температура, К.

Точечные примесные дефекты связаны с присутствием в твердом веществе химических примесей. Примесный атом или ион может находиться в узле решетки или в межузельном положении. Где будет находиться примесная частица, как правило, зависит от соотношения ее размеров и размеров частиц, образующих решетку.

Рис. 4‑15. Искажение кристаллической решетки точечными дефектами. Электронные возбуждения: электроны (e-) A+ē®A-, дырки (p+) A-ē®A+, экситоны (ex0) A*. Собственные точечные дефекты: вакансии (V), межузельные атомы (I) Примесный точечный дефект: решеточный примесный атом (PG), межузельный примесный атом (PI)

Дефекты могут захватывать электрон или отдавать его (захватывать дырки), могут взаимодействовать друг с другом, образовывая более сложные структуры (ассоциаты).

Например, в щелочно-галоидных кристаллах (А+В-) анионная вакансия может захватить электрон Vaē (электрон располагается на орбиталях катионов, окружающих анионную вакансию), и образуется так называемый F-центр.

Если межузельный анион отдает электрон (захватывает дырку), то образуется H-центр (В0), который может с ближайшим решеточным анионом образовать молекулярный ион В2- (Vк-центр).

Линейные дефекты кристаллической решетки – дислокации.

Дислокации – дефекты кристаллической решетки, представляющие собой линии, вдоль которых нарушено правильное чередование атомных плоскостей. Дислокации появляются в кристалле в результате пластической деформации или в процессе роста кристалла. Простейшими типами дислокаций являются краевые и винтовые дислокации (рис. 4.16).

Рис. 4‑16 Краевая (а) и винтовая (б) дислокации.

Кристаллическая решетка в непосредственной близости от дислокации находится в искаженном состоянии, поскольку в ней размещается дополнительное число атомов. Нормальный порядок расположения атомов восстанавливается в обоих направлениях от дислокации на расстоянии нескольких постоянных решетки.

Плотность дислокаций (концентрация дислокаций) в кристалле бывает очень велика, достигая 106 дислокаций на 1 см2.

Аморфные твердые тела

В аморфных твердых телах, в отличие от кристаллов, в которых существует пространственная периодичность в равновесных положениях атомов, атомы колеблются около хаотически расположенных точек.

Основные отличия свойств аморфных веществ от кристаллических связаны именно с нерегулярностью расположения частиц.

Хотя в аморфных веществах отсутствует дальний порядок, на расстояниях, сравнимых с длиной химических связей, пространственное расположение ближайших соседних частиц сохраняется, то есть имеется ближний порядок.

Такая разупорядоченность структуры является следствием недостаточной подвижности частиц при кристаллизации. Частицы при достаточно быстром охлаждении теряют подвижность и не успевают образовать кристаллическую решетку, то есть занять места в пространстве, отвечающие минимуму энергии.

Таким образом, аморфное состояние вещества является нестабильным, обладающим избыточной энергией, и при определенных условиях может самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние.

В отличие от кристаллов, для которых существует фиксированная температура плавления, переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое происходит в некотором температурном интервале. Аморфные тела обладают изотропностью физико-химических свойств.

Аморфное вещество, которое образуется при охлаждении жидкости и переходе ее в твердое состояние без кристаллизации, называется стеклом.

В стеклообразное состояние переходят вещества с преимущественно ковалентным типом связи, например, некоторые оксиды (SiO2, P2O5, B2O3). Стеклами являются также и большинство органических полимеров.

Для описания строения стеклообразного состояния вещества существуют две основные модели.

Теория кристаллитов рассматривает стекло как совокупность мельчайших монокристаллических областей – кристаллитов.

Теория непрерывной неправильной сетки предполагает, что в стекле, как и в монокристалле, существует пространственная сетка из химически связанных атомов. Но, в отличие от монокристалла, отсутствует строгое периодическое повторение фрагментов сетки.

Пример. Диоксид кремния (SiO2) может существовать как в кристаллическом состоянии – кварц, так и в стеклообразном — кварцевое стекло (плавленый кварц). И в том и в другом состоянии структурной единицей является тетраэдр SiO2, в центре которого находится ион кремния, а в вершинах – ионы кислорода. Тетраэдры связаны между собой через ионы кислорода, которые одновременно принадлежат двум тетраэдрам. В кристаллическом состоянии структура периодически повторяется, а в стеклообразном состоянии она искажена и не повторяется в объеме (рис. 4.17).

Рис. 4‑17 Проекция структуры кристаллического и стеклообразного SiO2: ● — атом кремния, ○ — атом кислорода

К аморфным веществам относятся также и мелкодисперсные порошки, состоящие из частиц, размер которых составляет величину порядка 10÷100 длин химической связи (наночастицы), например сажа – мелкодисперсный углерод. Вещество в таком состоянии, в отличие от поликристаллов, не имеет фиксированной температуры плавления.

Доверь свою работу ✍️ кандидату наук!

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Классификация твердых тел по электропроводности

По своим электрическим свойствам твердые тела разделяются на проводники (металлы), полупроводники, и диэлектрики (изоляторы).

К диэлектрикам (изоляторам) относятся вещества, которые не проводят электрический ток. С точки зрения зонной теории это вещества, у которых заполнены все состояния энергетических зон вплоть до валентной зоны, а первая свободная зона находится на расстоянии не менее 2…3 эВ (рис.6.1, с).

К полупроводникам относятся вещества, которые по свойствам проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Кроме того, их электропроводность увеличивается с увеличением температуры, освещенности, под воздействием электрических полей и механических напряжений; особенно резко их электропроводность зависит от примесей.

С точки зрения зонной теории полупроводниками являются вещества, имеющие полностью заполненные зоны, в том числе и валентную зону, а ближайшая незаполненная зона – зона проводимости — отстоит на расстоянии не более 2…3 эВ (рис.1.7, б).

В этом случае при 0 К все энергетические уровни заняты, а переходы между уровнями запрещены принципом Паули, такие взаимные переходы, если они осуществляются, не сопровождаются изменением макросостояния кристалла и не могут участвовать в обмене энергией с внешним электрическим полем.

Для того чтобы полупроводник мог принимать энергию внешнего электрического поля и проводить тем самым электрический ток, необходимо часть электронов перевести через запрещенную зону в зону проводимости.

Тем самым в валентной зоне появятся свободные места на разрешенных энергетических уровнях («дырки») и электроны — в зоне проводимости, которые там имеют возможность принимать энергию внешнего электрического поля.

Место «дырок» также может заниматься электронами более глубоких энергетических уровней и, таким образом, под действием внешнего электрического поля может осуществляться направленное движение электронов и в зоне проводимости и в зоне валентной – идет электрический ток. Для переброса электронов в зону проводимости и потребуется энергия тех воздействий, о которых было сказано выше.

Деление веществ на полупроводники и изоляторы условно. Хорошим изолятором является алмаз с шириной запрещенной зоны 5,6 эВ, а хороший полупроводник германий имеет ширину запрещенной зоны менее 1 эВ.

6.3 Электрические свойства полупроводников

Важнейшим свойством полупроводников (см. п. 1.4) является зависимость их электрических свойств от таких внешних факторов, как температура, освещенность, давление, электрические и магнитные поля.

Формальным, но не решающим признаком принадлежности вещества к полупроводникам является величина электропроводности, которая для них может принимать значения в пределах s = 106…10‑8 Ом‑1×м‑1; для металлов — s » 108…105 Ом‑1×м‑1; для изоляторов — s < 10‑12 Ом‑1×м‑1.

Характерной является температурная зависимость электрических свойств полупроводников. В отличие от металлов с увеличением температуры сопротивление полупроводников падает. Опыт дает зависимость сопротивления полупроводников от температуры в виде

где Еа – энергия активации, величина, характерная для полупроводников различного типа.

В некоторой области температур сопротивление полупроводников может возрастать с ростом температуры. Такие полупроводники называются вырожденными.

Резкая зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещенности дает возможность использовать их для преобразования соответствующих сигналов в электрические. Приборы при этом называются терморезисторы, фоторезисторы и прочее.

Собственные и примесные полупроводники. Полупроводники, проводимость которых обусловлена переходами электронов из заполненной валентной зоны в зону проводимости, называются собственными. Полупроводники, проводимость которых обусловлена ионизацией примеси, называются примесными. Примесные полупроводники, в свою очередь, делятся на электронные и дырочные полупроводники.

В электронных полупроводниках основными носителями тока являются электроны, возникающие при ионизации атомов примеси. Такие примеси называются донорными, или донорами. В дырочном полупроводнике основными носителями тока являются дырки (см. п. 1.3). Дырки возникают в валентной зоне при переходе электронов этой зоны на примесные уровни.

Такие примеси называются акцепторными, или акцепторами (принимающими).

6.4 Механизм проводимости полупроводников

Механизм проводимости собственных полупроводников рассмотрим на примере элемента четвертой группы, типичного полупроводника Ge. Атомы четырехвалентного германия образуют кубическую решетку, в которой каждый атом связан парноэлектронной связью с четырьмя ближайшими атомами.

Двумерная модель кристалла с такой связью при Т=0 К приведена на рис. 6.2, а.

Валентные электроны принадлежат своим атомам и, кроме того, благодаря перекрытию электронных облаков они могут переходить от атома к атому при встречном движении других электронов – атомы обмениваются электронами и электроны могут перемещаться по всему кристаллу.

Однако такое движение является чисто хаотическим и не может участвовать в направленном движении под действием внешнего электрического поля – ток в полупроводнике отсутствует. Для создания электрического тока валентные электроны необходимо оторвать от атомов, сделать их свободными.

Механизм проводимости электронных полупроводников рассмотрим на примере элемента четвертой группы, типичного полупроводника Ge с донорной примесью пятивалентного элемента. Атомы четырехвалентного германия образуют кубическую решетку, в которой каждый атом связан парноэлектронной связью с четырьмя ближайшими атомами.

Если пятивалентный атом примеси, например фосфора, мышьякаили сурьмы, замещает в решетке нормальный атом, то после образования четырех ковалентных связей с ближайшими соседями останется один валентный электрон, который будет локализован вблизи атома примеси (рис. 6.3, а).

При этом в энергетическом спектре кристалла у дна зоны проводимости появляется дополнительный энергетический уровень Ед примесного атома, на котором находится «лишний» электрон (рис. 6.3, б)

Избыточный электрон движется в кулоновском поле примесного атома. Если атом примеси получает энергию Е (например, за счет тепловых колебаний решетки), превышающую Eс — Eд — энергию ионизации примеси (Eс – энергия электрона у дна зоны проводимости), то избыточный электрон покидает атом примеси и становится носителем тока. На энергетической диаграмме это соответствует переходу электрона с донорного уровня в зону проводимости (см. рис. 1.10, б). Избыточный электрон имеет теперь возможность обмениваться энергией с внешним электрическим полем, перемещаясь на более высокие свободные уровни в зоне проводимости, ‑ стать электроном проводимости. В целом же кристалл остается электрически нейтральным, поскольку электрон остается в кристалле.

Механизм проводимости примесных дырочных полупроводников рассмотрим на примере трехвалентной примеси бора. Введение в Ge или Si примеси атомов трехвалентного элемента В приводит к появлению дырок ‑ незаполненных химических связей (рис. 6.4, а). При этом вблизи потолка валентной зоны появляются свободные энергетические уровни примесного атома (рис. 6.4, б).

Если одиниз электронов в валентной зоне получает энергию, достаточную для перехода на акцепторный уровень Eа, то происходит ионизация примеси — атом примеси становится отрицательным ионом, а дырка становится подвижной.

В электрическом поле дырка ведет себя подобно положительному заряду, двигаясь в направлении вектора напряженности электрического поля. Примеси, захватывающие электроныиз валентной зоны, называются акцепторами.

Помимо примесных атомов появление разрешенных уровней в запрещенной зоне связано также с нарушением идеальной периодичности решетки: вакансии, атомы в междуузлиях, дислокации и тому подобное.

Концентрация электронов и дырок определяет удельную электропроводность полупроводника, поскольку энергия ионизации примесей соизмерима с энергией тепловых колебаний решетки (kT = 0,026 эВ при комнатной температуре), то в первую очередь активизируется примесный механизм проводимости.

И, если, например, концентрация электронов в зоне проводимости преобладает над концентрацией дырок, то проводимость полупроводника будет электронной, а полупроводник — электронным или n — типа.

Если преобладает концентрация дырок над концентрацией электронов, то проводимость будет дырочной, а полупроводник – дырочным или р- типа.

С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения – примесь истощается, а собственная проводимость (смешанного типа) растет и при высоких температурах становится определяющей электропроводность полупроводника. Зависимость логарифма концентрации носителей тока, а значит и электропроводности полупроводника от обратной температуры приведена на рис. 6.5. При низких температурах (1/Т велико) существенную роль играет примесная проводимость (участок 1); участок 2 соответствует температурам истощения примесей; участок 3 ‑ проводимость практически собственная.

Тип проводимости полупроводника можно установить экспериментально, используя результаты исследования эффекта Холла в полупроводниках.

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Зонная теория — это квантовая механическая теория, которая рассматривает движение электронов в твердом теле. 

Зонная теория твердого тела

Согласно теории, свободные электроны могут обладать любой энергией. Электроны в атомах твердого тела могут иметь только определенные дискретные значения энергии. Другими словами, спектр энергии электронов в атомах состоит из разрешенных и запрещенных энергетических зон.

Положения зонной теории

Итак, согласно постулатам Бора, электрон в отдельном атоме может находится на одной из нескольких энергетических орбиталей. Иначе говоря, иметь лишь определенные дискретные значения энергии. Когда атомы образуют молекулу, количество орбиталей расщепляется пропорционально числу атомов в молекуле. 

При увеличении количества молекул до макроскопического тела количество орбиталей становится очень большим, а разница между соответствующими им энергиям — очень маленькой. Орбитали сливаются, образуя энергетические зоны. 

Валентная зона — в диэлектриках и полупроводниках наивысшая энергетическая зона, которая заполнена полностью при температуре 0 К. Зона проводимости — следующая за валентной зона. В металлах  зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К.

Зонная теория объясняет различие в электрических свойствах материалов: проводников, полупроводников, диэлектриков. Можно выделить следующие причины различий:

1. Ширина запрещенных энергетических зон
2. Разница в заполнении разрешенных энергетических зон электронами.

Зонная структура диэлектриков

Вещество является диэлектриком, когда валентная зона заполнена полностью, в высших зонах нет электронов, также отсутствует перекрытие зон. Такое вещество не проводит ток. Ширина между зонами у диэлектриков условно составляет более 2 электронвольт.

Зонная структура полупроводников

Вещество является полупроводником, если валентная зона разделена с соседними зонами узкой (менее 2 электронвольт) запрещающей зоной. Отметим, что такое вещество при температуре, близкой к абсолютному нулю, является диэлектриков.

Однако при росте температуры электроны из верхней занятой зоны перескакивают в вакантную зону проводимости, и вещество становится электропроводным. Проводимость растет вместе с температурой и концентрацией электронов в зоне проводимости.

Соответственно, в заполненной зоне, из которой электроны переходят в зону проводимости, растет концентрация дырок.

Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно. Вещества с шириной запрещённой зоны более 3—4 эВ и менее 4—5 эВ совмещают свойства диэлектриков и полупроводников.

Зонная структура проводников (металлов)

В металлах валентная зона занята не полностью, и при воздействия на проводник разности потенциалов электроны могут свободно перемещаться из точек с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом.

Также в проводниках зона проводимости пересекается с валентной зоной. Получившаяся зона пересечения заполнена не полностью.

Пример

Почему проводимость металлов не растет с увеличением валентности?

Ответ:

Валентность — это способность атома вещества образовать определенное число химических связей. Проще говоря, способность «прикрепить» к себе другой атом.

Однако электропроводность зависит не от количества валентных электронов на один атом, а от числа электронов в валентной зоне, для которых существуют свободные энергетические уровни.

Так, у двухвалентных металлов число электронов, которые могут перейти под действием внешнего поля в свободное состояние меньше, чем у одновалентных.

Таким образом, электропроводность двухвалентных металлов меньше, чем одновалентных.

Элементы физики твердого тела. Понятие о зонной теории твердых тел. Метали, диэлектрики и полупроводники в зонной теории

Элементы физики твердого тела

§1 Понятие о зонной теории твердых тел

 Известно, что в изолированном атоме электрон может находиться на вполне определенных энергетических уровнях. Эти значения энергии электрона (или атома) называют разрешенными. Разрешенные значения энергии в атоме отделены друг от друга широкими областями запрещенных энергий. Пусть имеется N изолированных атомов. Пока атомы не взаимодействуют, они имеют одинаковые энергетические уровни. Заполнение уровней электронами осуществляется в каждом атоме независимо от заполнения аналогичных уровней в других атомах. По мере сближения атомов между ними возникают все усиливающееся взаимодействие, приводящие к тому, что энергетические уровни смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется так называемый зонный энергетический спектр. Вместо одного одинакового для всех N атомов уровня возникает N очень близких, но не совпадающих уровней, т.е. каждый уровень изолированного атома расщепляется в пределе на N густо расположенных уровней, образующих полосу или зону.

            Из рисунка 1 видно, что заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних валентных электронов, наиболее слабо связанных с ядрами и имеющих наибольшую энергию, а также более высокие уровни, которые в основном состоянии атома электронами вообще не заняты.

Уровни внутренних электронов либо вообще не расщепляются (ближайшие к ядру), либо расщепляются слабо, т.е.

в твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, валентные электроны обобществляются («коллективизируются») — принадлежит всему твердому телу.

            Образование зонного энергетического спектра в кристалле является квантово-механическим эффектом и вытекает из соотношения неопределенностей Гейзенберга. В кристалле валентные электроны атомов связаны слабее с ядрами и могут переходить от атома к атому сквозь потенциальные барьеры, разделяющие атомы, т.е. перемещаться без изменения полной энергии (туннельный эффект). Это приводит к тому, что среднее время жизни t валентного электрона в данном атоме по сравнению с изолированным атомом существенно уменьшается и составляет ~ 10-15с (для изолированного атома ~ 10-8с). Время же жизни электронов в каком-либо состоянии связаны с неопределенностью его энергии (шириной уровня) соотношением неопределенности  следовательно, если естественная ширина спектральных линий составляет ~10-7эВ, то в пределах DE » 1 ¸ 10, т.е. энергетические уровни валентных электронов расширяются в зону разрешенных значений энергии.

            Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Как правило, кристаллы содержат n~ 1020 ¸ 1025 атомов, следовательно, расстояния между соседними электронными уровнями в зоне составляет ~10-22 эВ.

            Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными зонами. В запрещенных зонах электроны находиться не могут.

• §2 Металлы, диэлектрики и полупроводники
• в зонной теории
•             С точки зрения зонной теории различие электронных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников объясняется двумя причинами: 1) характером расположения энергетических зон, точнее шириной запрещенной зоны 2) различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон.
•             В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая:
•             Зона, образованная уровнями энергии, на которых находятся валентные электроны в основном состоянии атома, называется валентной зоной.
•  При абсолютном нуле валентные электроны заполняют попарно нижние уровни валентной зоны.

            Зона проводимости — образована энергетическими уровнями, находясь на которых электрон является обобществленным, т.е. не связанным с отдельным атомом (зона свободных электронов). Если в зоне проводимости есть электроны, то при приложении электрического поля по веществу будет протекать ток.

            В металлах (I) валентная зона не полностью заполнена электронами. Электронам, находящимся на верхних энергетических уровнях, достаточно сообщить энергию ~10-23 эВ, чтобы перевести их на более высокие уровни, сделать свободными. Энергия теплового движения (kТ) составляет при 1К величину порядка 10-4 эВ, т.е.

при » температурах имеются свободные электроны и такое твердое тело будет проводником, т.е. в металлах (I) валентная зона частично заполнена и является зоной проводимости. В металлах (II) зона проводимости перекрывается с валентной зоной. В этом случае образуется широкая «гибридная» зона, которую валентные электроны заполняют лишь частично.

Выше занятых уровней расположены свободные уровни и такое твердое тело, как и в случае (I) будет проводником.

            Зонная теория твердых тел позволила объяснить, почему электропроводимость не возрастает с увеличением валентности металла, как это следует из кинетической теории. Al3+, следовательно, имеет 3 валентных электрона, т.е.

проводимость по классической теории должна быть больше чем у Cu1+ ( 1 валентный электрон ).

С современной точки зрения электропроводность зависит не от числа валентных электронов, а от числа электронов, для которых в верхней зоне проводимости имеется достаточное число свободных  энергетических состояний.

            У двухвалентных металлов имеется некоторое число свободных энергетических уровней в зоне проводимости. Но число электронов, которые могут быть переведены внешним электрическим полем в свободные состояния меньше, чем у одновалентных металлов. Еще меньше таких электронов у трехвалентных металлов.

            У диэлектриков (III) валентная зона заполнена полностью, ширина запрещенной зоны велика (DE > 3 эВ) тепловое движение не может перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости. Только при приложении очень сильных электрических полей возможен переход электрона в зону проводимости (пробой диэлектрика при пробивных напряжениях, зависящих от рода материала и его толщины).

            У полупроводников (IV) валентная зона заполнена полностью. Ширина запрещенной зоны невелика (DE ~ 1 эВ). При температурах ~ 200 – 300 °С или внешних воздействиях (например, облучение светом — внутренний фотоэффект) электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и по полупроводниках протекает ток.

Отличия с точки зрения зонной теории:

• Между металлами и диэлектриками

а) при 0 К у металлов в зоне проводимости имеются электроны, у диэлектриков их нет.

б) у металлов нет или очень узкая запрещенная зона, у диэлектриков — большая запрещенная зона.

• Между диэлектриками и полупроводниками:

1. а) ширина запрещенной зоны полупроводника ~1 эВ; диэлектрик > 3эВ.
2. б) при 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, при возрастании температуры проводимость полупроводника растет.
3. Понятие энергетический уровень или энергетическая зона характеризует только энергетическое состояние электрона, а не геометрическое расположение его в теле.

Металлы, диэлектрики, полупроводники по зонной теории

Твердые тела подразделяют на металлы, диэлектрики и полупроводники в первую очередь по удельной электропроводности. Удельная электропроводность металлов велика и составляет обычно 106—108 (Ом-м)1.

Удельная электропроводность диэлектриков мала и обычно лежит в пределах 10 п—10-8 (Ом-м)»1. Полупроводники занимают промежуточное положение, причем их электропроводность сильно зависит от температуры.

Оценим такое разнообразие электрических свойств с точки зрения зонной структуры твердых тел.

В кристалле объемом 1 см3 содержится порядка 1022 атомов. Для характерной ширины энергетической зоны 1 эВ расстояние между уровнями в зоне составляет ~10-22 эВ. Таким образом, энергетический спектр электронов в пределах зоны можно считать практически непрерывным. При этом заполнение зон в кристалле идет снизу вверх.

Возникновение электрического тока сопровождается увеличением энергии электронов, которые являются носителями тока вдоль направления действующей на него силы.

Так, несложно оценить, что при напряженности электрического поля 103 В/м на средней длине свободного пробега электрона в кристалле (ее характерное значение 10-8 м) электрон увеличивает энергию примерно на 10 * эВ.

Такой энергии явно недостаточно, чтобы перейти на более высокую зону, так что переходы возможны лишь внутри одной энергетической зоны. Действительно, характерная ширина запрещенной зоны составляет 1 эВ, а варьируется эта ширина обычно в пределах 0,1-10 эВ.

Поэтому понятно, что для высокой проводимости твердому телу необходимо, чтобы в его зонной структуре имелись частично заполненные зоны, на которые электроны могли бы переходить под действием электрического поля. Так, все металлы обладают частично заполненными зонами (рис. 40.4, а).

Рис. 40.4:

а — металл; б — диэлектрик; в — полупроводник

Если же верхняя энергетическая зона твердого тела заполнена электронами полностью, то электрическое поле неспособно увеличить энергию электронов и создать электрический ток. Ведь вышележащие вакансии в зоне заняты, а перейти в вышележащую зону не хватает энергии.

Такая ситуация имеет место в диэлектриках и полупроводниках, причем полупроводники отличаются меньшей шириной запрещенной зоны АEg (рис. 40.4, б, в).

У диэлектриков ширина запрещенной зоны примерно больше 3 эВ, а у полупроводников — меньше 3 эВ.

Верхняя заполненная зона называется валентной зоной. Следующая за пей еще более высокая частично заполненная или свободная зона называется зоной проводимости.

Для большей части полупроводников ширина запрещенной зоны Д/Т гораздо больше характерной энергии теплового движения kT:

Поэтому при комнатной температуре полупроводники обычно ток не проводят. Перевести электроны из валентной зоны в зону проводимости можно, например, с помощью фотонов с энергией hv > АЕК.

Другой способ повышения проводимости полупроводника — существенно нагреть его, с тем чтобы наиболее энергичные электроны из хвоста распределения Максвелла смогли в заметном количестве перейти из валентной зоны в зону проводимости. При этом проводить ток сможет не только свободный электрон в зоне проводимости, но и образовавшаяся вакансия в валентной зоне.

Такая вакансия называется дыркой. Она проводит ток, поскольку позволяет нижерасположенным электронам зоны повысить свою энергию и участвовать в дрейфовом токовом движении. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации пары носителей заряда (электрона и дырки), обратный переход — процессом рекомбинации.