itciskra.ru
Одно из главных свойств полупроводников – это их способность изменять электропроводность при изменении некоторых факторов, таких как температура или примеси. Эту способность объясняют двумя основными концепциями: валентной зоной и зоной проводимости.
Валентная зона является энергетической зоной, в которой находятся электроны, участвующие в химических связях. Они обладают низкой энергией и практически не могут участвовать в электрической проводимости. Зона проводимости, в свою очередь, представляет собой энергетическую зону, в которой находятся электроны, способные участвовать в электрической проводимости. Эти электроны имеют более высокую энергию и способны перемещаться по материалу при подаче внешнего электрического поля.
Основные понятия полупроводников
Валентная зона – это энергетический уровень, на котором находятся электроны в недопроводящем состоянии полупроводника. Каждый атом полупроводника имеет свои валентные электроны, которые образуют совокупность валентных зон всех атомов.
Зона проводимости – это энергетический уровень, который находится выше валентной зоны в полупроводнике. Электроны, находящиеся на этом уровне, могут свободно передвигаться внутри полупроводника и участвовать в электрической проводимости.
Основной физической характеристикой полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая отделяет валентную зону от зоны проводимости. Полупроводники могут быть разделены на две основные категории в зависимости от ширины запрещенной зоны: полупроводники широкой запрещенной зоны и полупроводники узкой запрещенной зоны.
- Полупроводники широкой запрещенной зоны обладают шириной запрещенной зоны больше 3 электрон-вольт. К ним относятся кремний и германий. Они обладают низкой проводимостью и используются в основном в электронике и энергетике.
- Полупроводники узкой запрещенной зоны обладают шириной запрещенной зоны меньше 3 электрон-вольт. К ним относятся такие материалы, как галлий арсенид или германий-селенид. Они обладают высокой проводимостью и находят применение в солнечных батареях, светодиодах и других электронных устройствах.
Понимание основных понятий полупроводников – валентной зоны и зоны проводимости, а также различий между полупроводниками широкой и узкой запрещенной зоны является важным для понимания принципов работы полупроводниковых устройств и их применения в различных областях науки и техники.
Структура полупроводников
Полупроводники представляют собой материалы, обладающие специфической структурой. Они состоят из атомов или ионов, у которых связанные электроны заполняют энергетические уровни валентной зоны. Внешний энергетический уровень валентной зоны, который содержит последний заполненный электрон, называется валентным уровнем.
Структура полупроводников также включает зону проводимости, которая находится над валентной зоной и содержит энергетические уровни, на которых электроны могут передвигаться свободно. Раздел между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют.
Размер запрещенной зоны определяет электропроводность полупроводника. Если запрещенная зона очень мала или отсутствует, полупроводник будет обладать высокой электропроводностью и считаться проводником. Если же запрещенная зона велика, полупроводник будет обладать низкой электропроводностью и считаться изолятором.
Структура полупроводников позволяет иметь особые свойства, которые делают их необходимыми для производства полупроводниковых устройств, таких как транзисторы, диоды и солнечные батареи. Изучение структуры полупроводников позволяет лучше понять их электрические свойства и применение в современной электронике.
Валентная зона полупроводников
Электроны в валентной зоне заполнены в соответствии с принципом Паули и наличием квантовых запретов, то есть каждое состояние могут занимать только два электрона с противоположным спином. Валентная зона может быть заполнена полностью, частично или частично пуста, в зависимости от температуры и других факторов.
Состояния валентной зоны обладают энергией, которая обычно ниже энергии электронов в зоне проводимости. Поэтому валентная зона играет важную роль в проводимости полупроводников. Чтобы перейти в зону проводимости, электрон должен получить достаточно энергии для возбуждения из валентной зоны в зону проводимости.
Для создания электронно-дырочных пар, которые ответственны за проводимость полупроводников, необходимо, чтобы валентная зона была заполнена электронами, а зона проводимости была частично пуста. Именно поэтому смешанные полупроводники создают путём добавления примесей, которые создают электронные и дырочные уровни поблизости от валентной зоны и зоны проводимости соответственно.
Зона проводимости полупроводников
Зона проводимости является запрещенной зоной энергии, что означает, что возбужденные электроны не могут находиться в этой зоне. В электронном диапазоне полупроводников имеются некоторые свободные состояния электронов, и как только электрон поглощает энергию, он может перейти из валентной зоны в зону проводимости, что ведет к образованию электрон-дырочных пар и увеличению проводимости полупроводника.
Способность полупроводника проводить электрический ток зависит от ширины запрещенной зоны. Чем уже запрещенная зона, тем легче электрону перескочить из валентной зоны в зону проводимости, что делает полупроводник более проводящим.
Температура также оказывает влияние на ширину запрещенной зоны. При повышении температуры энергия электронов увеличивается, что приводит к расширению зоны проводимости и увеличению проводимости полупроводника.
Зона проводимости является важной характеристикой полупроводников, и имеет значительное значение для разработки электронных устройств и технологий, таких как полупроводниковые диоды и транзисторы.
Переходы между зонами
В полупроводниках существуют три основных типа переходов между валентной зоной и зоной проводимости: диэлектрический пробой, переходы через запрещенную зону и туннелирование.
- Диэлектрический пробой: при подаче высокого напряжения на полупроводник возникает электрическое поле, которое может вызвать смещение некоторых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это приводит к резкому увеличению электрического тока и пробою материала. Диэлектрический пробой используется в различных электронных приборах и технологиях.
- Переходы через запрещенную зону: при подаче энергии на полупроводник, например в виде света или тепла, электроны могут перейти через запрещенную зону и попасть в зону проводимости. Это может быть основной механизм работы фотодиодов и солнечных батарей, где свет или тепло создают электроны, которые затем могут быть использованы для генерации электрического тока.
- Туннелирование: в некоторых случаях, электроны могут «проскользнуть» через запрещенную зону без получения достаточной энергии для преодоления энергетического барьера. Этот процесс называется туннелированием и может быть использован в электронике для создания очень тонких структур и устройств.
Все эти переходы между зонами в полупроводниках играют важную роль в их свойствах и позволяют использовать полупроводники в различных электронных приборах и технологиях.
Электронная проводимость полупроводников
Валентная зона — это уровень энергии, на котором находятся электроны, образующие химические связи между атомами полупроводника. При повышении температуры или при воздействии внешнего электрического поля некоторые электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны становятся подвижными и могут участвовать в электрическом токе.
Электроны в зоне проводимости обладают отрицательным зарядом и двигаются в полупроводнике под действием электрического поля. Процесс движения электронов в полупроводнике называется электронной проводимостью. Электронная проводимость в полупроводниках может быть усиленной путём легирования — введения примесей в кристаллическую решётку полупроводника.