Лабораторная работа № 2-4Б

В изоляторах электроны доверху заполняют последнюю из занятых зон 3 (валентную зону) (рис.13б). Следующая разрешенная зона 1 не содержит электронов. Ширина запрещенной зоны 2 (обозначаемая как Е_g), разделяющая валентную зону и зону проводимости велика (Е_g 10 эВ), так что электроны в обычных условиях не могут через нее "перепрыгнуть". Электрический ток отсутствует. В присутствии слабого электрического поля ни один из электронов зоны 3 не может изменить своего движения, так как нет близких свободных энергетических состояний в зоне.

а) вследствие взаимодействия атомов при их сближении в кристалле (d - расстояние между соседними атомами в кристалле) и образование энергетических зон; I - зона проводимости, 2 - запрещенная зона, 3 - валентная зона, 4 - уровни изолированных атомов; диаграммы уровней и их заполнение электронами в диэлектрике (б) и в металле (в).

К полупроводникам относятся вещества, которые при низких температурах являются изоляторами. Они отличаются от обычных изоляторов небольшой шириной запрещенной зоны (Е_g 1 эВ). Уже при комнатных температурах тепловое движение "перебрасывает" часть электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом электропроводность возникает как в зоне проводимости, так и в валентной зоне. В зоне проводимости она определяется присутствующими там электронами (электронная проводимость). В валентной зоне проводимость становится возможной из-за появления свободных состояние (дырок), часть из которых может быть занята электронами зоны (дырочная проводимость).

Найдем зависимость электропроводности полупроводника от его различных характеристик.
Плотность тока j зависит от величины переносимых зарядов электронами и "дырками" и , их концентрации n_n, n_p и средней скорости их направленного движения и .

Заряды электрона и "дырки" равны по величине, но противоположны по знаку. Концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне в химически чистых полупроводниках равны друг другу n_n = n_p.
Концентрация электронов, находящихся в зоне проводимости, равна произведению числа имеющихся энергетических уровней в единице объема полупроводника на вероятность их заполнения. Вероятность заполнения уровней определяется функцией Ферми, которая для полупроводников имеет вид:

где Е - энергия электрона в зоне проводимости; μ - некоторая константа для данного типа вещества, носящая название энергии Ферми; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура, так как , то единицей можно пренебречь.
Энергия Ферми представляет собой максимальную энергию, которую могут иметь электроны при T = 0 K. В чистых полупроводниках энергия Ферми μ лежит вблизи середины запрещенной зоны (рис.14).


Интернет-магазин