Андрей Владиславович Кириллов , Алексей Васильевич Костылев , Николай Дмитриевич Ясенев - Основы электроники: учебное пособие

них могут находиться одновременно не более
двух электронов. Электроны низших уровней сильно связаны с ато­
мом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном,
эта связь ослабевает.
В качестве внешних воздействий, способных увеличивать энергию
электронов, могут быть:
• кванты тепла (фононы), иными словами — нагрев;

П

7

Э л еі

|.)о п р о в о д н о с г ь п о л у п р о в о д н и ко в. беспримесные и примесные полупроводники

• кванты света (фотоны), иными словами — освещение;
• электрическое поле;
• магнитное поле.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма изолированного атома
В отсутствие внешних воздействий, атом находится в исходном
(невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетиче­
ские уровни заняты электронами, а верхние — свободны.
При наличии внешних воздействий, электроны атома приобретают
дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетиче­
ские уровни (возбуждение атома) или вовсе освобождаются от атома
и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация ато­
ма). При этом внешнему воздействию подвержены электроны высо­
ких энергетических уровней, слабее связанные с атомом.
Согласно квантовой теории, энергетическая диаграмма группы
близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения
по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2).
В результате взаимодействия атомов друг с другом, разрешенные
уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близ­
ко расположенные смещенные уровни энергии — подуровни. Под­
уровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии,
которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число под­
уровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в груп­
8

пе (например, на рис. 1.2 показана энергетическая диаграмма для че­
тырех близко расположенных атомов).

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма группы
близко расположенных атомов

1.1. О с о б е н н о с т и
э л е к т р о п р о в о д н о с т и т в е р д ы х тел
На электропроводность твердого тела существенное влияние оказы­
вает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии
в верхней части энергетической диаграммы (см. рис. 1.2). В зависимо­
сти от электронной структуры атома и строения кристаллической ре­
шетки, между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо
может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две
вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три клас­
са кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники.
На энергетических диаграммах (рис. 1.3) можно выделить две ха­
рактерные зоны разрешенных значений энергии: нижнюю (заполнен­
ную), она называется валентной зоной, и верхнюю (свободную), она
называется зоной проводимости.
9

1 Электропроводность полупроводников, эѳспримесныѳ и примесные полупроводники

а

б

в

Рис. 1.3. Энергетические диаграммы:
а — металл; б — полупроводник; в —диэлектрик

В отсутствие внешних воздействий на электроны (электрического
и магнитного полей, облучения квантами света, а также при Т= ОК),
все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней
зоне электронов нет.
Рассмотрим различие в электропроводности указанных трех клас­
сов кристаллических тел с точки зрения особенностей их энергетиче­
ских диаграмм.
В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к ва­
лентной зоне (см. рис. 1.3, а). Электронам валентной зоны достаточ­
но сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону сво­
бодных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического
поля, в металле имеется большое число свободных (не связанных с ато­
мами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электриче­
скую проводимость.
В полупроводниках (см. рис. 13,6) свободная зона отделена от ва­
лентной зоны запрещенной зоной энергии AJ¥3. Величина AW3опреде­
ляет энергию (в электронвольтах), которую нужно сообщить электро­
ну, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной
зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне
10

i.P. / іо с и т ѳ л и заряда в бѳапрі«іѳаных -чі іатьіх) полупроводниках

свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии
для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов
из валентной зоны в --">