Зона энергетическая проводимости

Рис. 73. Модель образования электронной примесной проводимости в кремнии и германии а — в плоском изображении б — в зонной энергетической диаграмме д — донорный уровень — энергия активации донора 1+ — за-

Число и природа носителей т(жа в полупроводниках в большей степени зависят от их чистоты и характера примесей. Примеси принято делить на донорные и акцепторные, т, е. на отдающие и присоединяющие электроны. Донорные примеси увеличивают число электронов, а акцепторные — число дырок. Этот эффект примесей можно пояснить на примере германия, у которого имеется четыре валентных электрона. Если атом германия в его решетке заменить пятивалентным атомом мышьяка, то один электрон окажется лишним. Для его участия в проводимости необходимо, чтобы энергетический уровень атома примеси был расположен в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости (непосредственно у ее нижнего края). Тогда каждый атом примеси будет ионизирован и электроны перейдут в зону проводимости. Число отрицательных носителей тока в полупроводнике с донорной примесью больше, чем число положительных носителей тем ие менее уравнение (5.45) остается справедливым, подобно тому как ионное произведение воды не изменяется при добавлении щелочи. Предположим, что один атом донорной примеси приходится ьа 10 атомов полупроводника. Считая все атомы примеси (иaпp iмep, мышьяка) полностью ионизированными, найдем, что в 1 см германия находится 4,5-10 при- [c.138]

В полупроводниках, так же как и в изоляторах, вся валентная зона заполнена электронами, однако зона проводимости отделена от нее лишь небольшим энергетическим барьером, составляющим [c.136]

Рис. 6.11. Валентная зона и зона проводимости в кристаллах бериллия (а) и алмаза (б). В кристалле Ве 2в-зона и 2р-зона перекрываются. В кристалле алмаза 28р -валентная зона и вакантная Зв-зона разделены запрещенной зоной — энергетической щелью пшриной Д

Фотохимическая активность пигментов как неорганических полупроводников хорошо объясняется на основании так называемой зонной теории проводимости. По этой теории электроны в кристалле могут обладать только некоторыми определенными значениями энергии. На энергетической диаграмме (рис. П1-36) показаны полосы (зоны), отвечающие определенным диапазонам энергии, причем внутри каждой разрешенной зоны энергетические уровни расположены практически непрерывно, так что внутри этих зон электроны легко переходят на соседние уровни. Но для перехода из одной разрешенной зоны в другую, соответствующую более высокой энергии, электрон должен получить энергию по крайней мере равную разности энергетических уровней запрещенной зоны Аио. [c.99]

Различие в проводимости твердых веществ хорошо объясняется на основе зонной теории проводимости. Согласно этой теории энергетический уровень атома твердого кристаллического тела представляется разделенным на зоны (рис. 14). Зоной проводимости называется зона энергетических уровней, которыми обладают свободные (возбужденные) электроны. Зоны уровней, в которых находятся обладающие наибольшей энергией, т. е. валентные, электроны, называются валентными зонами. Эти зоны могут быть разделены промежуточными уровнями энергии, в которых электроны находиться не могут. [c.14]

Полупроводимость твердых тел, возникающая вследствие заселенности электронами незаполненной зоны, отделенной от полностью заполненной зоны энергетическим барьером. Проводимость полупроводников экспоненциально возрастает с температурой. [c.216]

В настоящее время различия в электрической проводимости металлов, полупроводников и изоляторов объясняют на основе квантовой теории строения кристаллических веществ или так называемой теории энергетических зон. Сущность ее состоит в следующем. Электроны ближайших к ядру энергетических уровней атомов полностью насыщают эти уровни, находятся в устойчивых состояниях и образуют так называемую заполненную валентную зону. Электрическая проводимость и теплопроводность вещества не связаны с электронами этой зоны. В электрической проводимости могут участвовать только электроны ненасыщенных энергетических уровней. При этом полосы основных и возбужденных (периферических) энергетических уровней разделяются промежуточными свободными полосами, которые не имеют возможных для электрона квантовых состояний. Эту энергетическую зону, промежуточную между зонами основных и возбужденных уровней, называют запрещенной зоной. [c.265]

Поскольку большинство энергетических уровней зоны пусты, проводимость /г-типа можно представить себе как неограниченное движение электронов вдоль решетки от одного участка к другому. Однако в случае проводимости р-тппа электрон может перемещаться только тогда, когда на близлежащем участке в направлении поля имеется незаполненный уровень, а переход электронов на вакансию вдоль поля эквивалентен движению положительных вакансий в направлении, противоположном полю. Это схематически проиллюстрировано рис. 10.15. [c.235]

Полу проводимость твердых тел, возникающая вследствие заселенности электронами незаполненной зоны, отделенной от полностью заполненной зоны энергетическим барьером порядка кТ при комнатной температуре (разд. 19.23). Проводимость полупроводников экспоненциально возрастает с температурой. [c.343]

Параллельно с развитием исследований свойств углеродных материалов все более пристальное внимание уделялось химии и физике этих твердых тел. Своеобразная энергетическая структура графита (с перекрывающимися зонами проводимости и валентной зоной) обусловливает свойства, промежуточные между свойствами металлов (в которых имеется частично заполненная зона) и свойствами полупроводников (у которых зона проводимости отделена от полностью заполненной зоны энергетическим зазором порядка 1—2 эв). Другая особенность графита — ярко выраженная анизотропия свойств, резкое различие результатов измерений в направлении, параллельном и перпендикулярном базисной плоскости кристалла. [c.7]

Возникновение электрохимии полупроводников как новой главы теоретической электрохимии обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, многие электрохимические процессы, протекающие на границе электрод — электролит, совершаются фактически на поверхности, обладающей полупроводниковыми свойствами, со всеми особенностями, присущими такого рода материалам. Проводимость этих поверхностных слоев — окислов металлов, их гидридов, интерметаллических соединений и т. п.— по своей величине лежит между проводимостью металлов и диэлектриков. Она чувствительна к внедрению в основной слой следов примесей и в противоположность металлам увеличивается с температурой. Прохождение тока через полупроводники в общем случае осуществляется электронами (п-проводимость) или дырками, т. е. вакансиями, оставшимися после ухода электронов в другую энергетическую зону (р-проводимость). В отличие от металлов, в полупроводниках вблизи их поверхности раздела с другими фазами имеется широкая область объемного заряда, что значительно усложняет картину двойного электрического слоя. Выяснение кинетики многих электрохимических реакций (процессы в химических источниках тока, анодное растворение металлов и т. п.) становится поэтому невозможным без разработки электрохимии полупроводников. Во-вторых, в самой технологии получения полупроводниковых материалов, идущих на изготовление радиотехнических приборов, солнечных батарей и т. п., важную роль играют процессы, являющиеся по своей природе электрохимическими. К ним относятся, например, анодное и обычное травление полупроводников, осаждение тонких слоев металла на поверхность полупроводников и др. [c.491]

Орбитали энергетической зоны заполняются двумя электронами, как и орбитали атома и молекулы, в порядке их расположения по энергиям и в соответствии с принципом Паули. Следовательно, максимально возможное число электронов в зонах, возникающих за 1 чет перекрывания s-, р-, d-, /-... атомных орбиталей, соответственно равно 2N (s-зона), 6N (р-зона), 10 N (/ -зона), 14 N (/-зона)... Зона, которую занимают электроны, осуществляющие связь, называется валентной (на рис. 75 степень заполнения валентной зоны показана штриховкой). Свободная зона, расположенная энергетически выше валентной, называется зоной проводимости. [c.116]

В приближении широких энергетических зон электроны проводимости и дырки рассматриваются как квазисвободные частицы и не являются точечными дефектами, а размазаны по решетке кристалла, причем их энергии распределены по уровням зон в широком интервале. В этом случае химический потенциал электронов (уровня Ферми) вычисляют методами квантовой статистики. В наиболее распространенном случае достаточно высоких температур и малых концентраций квазисвободных электронов и дырок (при отсутствии вырождения) их химические потенциалы определяются выражениями [c.63]

Характерная для металлов способность хорошо проводить электрический ток путем перемещения электронов, наблюдаемая уже при обычных (не очень больших) разностях потенциалов, возможна только при условии,, что перемещение электронов не требует преодоления значительных энергетических барьеров. Это достигается лишь при перемещении электрона в пределах одной данной зоны. Такое перемещение возможно, когда в данной зоне имеются вакантные уровни, т. е. когда число электронов в ней меньше, чем допускаемое принципом Паули ( 9). Именно такие частично заполненные зоны являются в металлах зонами проводимости, а зоны, не содержащие вакантных уровней валентные зоны) не участвуют в этом процессе. (О возможном переходе электронов в выше расположенные пустые зоны см. при обсуждении свойств полупроводников, 55.) [c.137]

В стадии умеренного легирования (концентрация В примерно 1011 — 10 атомов/сиг донорные (соответственно акцепторные) уровни расширяются в примесную зону, отделенную от зоны проводимости валентной зоны энергетическим интервалом. [c.378]

Такие переходы удобно описывать с помощью зонной энергетической схемы полупроводника, изображенной на рис. 20. Ось у на рис. 20 параллельна адсорбирующей поверхности полупроводника, которая предполагается плоской. Мы имеем две энергетические зоны (валентную зону и зону проводимости, заштрихованные на рисунке), разделенные запрещенным участком [c.59]

Лекция 47. Энергетические зоны в кристаллах. Распределения электронов по зонам. Валентная зона и зона проводимости. Металлы, диэлектрики. Собственная и примесная проводимость полупровод-ников. [c.167]

Энергетическое состояние некоторых кристаллов, особенно ковалентных, где волновые функции избыточного электрона на различных атомах обычно сильно перекрываются, лучше описывается с помощью волн Блоха. Избыточный электрон ведет себя до некоторой степени так же, как электрон в свободном пространстве его поведение очень сходно с поведением атома в газе. Уровни, на которых могут располагаться избыточные электроны, образуют более или менее широкую зону. Поскольку электроны, находящиеся в этой зоне, обусловливают проводимость, то она называется зоной проводимости. Отсюда происходит и название модели — зонная модель (рис. УП.1). Электроны в зоне проводимости характеризуются определенной подвижностью, которая при комнатной температуре может изменяться в реальных случаях от 30 до 10 ООО см Ив-сек). В общем случае подвижность уменьшается при повышении температуры вследствие рассеяния на областях кристалла, где благодаря термическим колебаниям нарушается строгая периодичность кристаллической решетки (фононное рассеяние). В других кристаллах перекрытие волновых функций избыточных электронов на соседних атомах настолько мало, что скорость их движения оказывается крайне ограниченной. В этом случае зонная теория плохо описывает состояние кристалла. К лучшим результатам приводит модель, основанная на рассмотрении скачкообразных [c.152]

Обобществленные зоны энергии имеют место лишь в кристалле, т. е. в системе из упорядоченно расположенных и повторяющихся однотипных частей. Их существование возможно, нанример, в кристаллическом белке. Работой А. Т. Вартаняна было показано, что в кристаллах органических красителей, состоящих из однотипных молекулярных ионов красителей, действительно имеет место общая энергетическая зона электронной проводимости. Но поглощения света кристаллом еще недостаточно для перевода в эту зону электрона от молекулы красителя. Необходимо подведение дополнительной энергии тепловой активации, эквивалентное 10 ккал./моль, чтобы осуществить переход электрона в зону проводимости и миграцию в ней. Следовательно, даже в случае такой легко возбуждаемой системы требуются значительные кванты энергии, ориентировочно 50 ккал./моль, для того чтобы достичь зоны проводимости. Для биологических объектов, не обладающих поглощением в видимой области спектра, энергии, требующиеся для миграции электронов в виде тока проводимости, должны быть еще более значительными следовательно, такой процесс фактически неосуществим даже в кристаллическом белке. [c.349]

Рис. 2. Зонная энергетическая диаграмма полупроводника с собственной проводимостью I и с примесной проводимостью и- и р-типов ( -дно зоны проводимости потолок валентной зоны -уровень Ферми и уровни энергии примеси донорного и акцепторного типа соответственно)

Зонная теорий ( 50) показывает, что изоляторы и полупроводники в отличие от металлов не содержат частично заполненных энергетических зон. В изоляторах и полупроводниках (при отсутствии теплового или другого возбуждения) зоны, следующие за валентными (заполненными) зонами, являются пустыми, т. е. не. содержат электронов. Проводимость может возникнуть в них только в результате частичного перехода электронов из валентной зоны в ближайшую пустую зону. Возможность и вероятность такого перехода зависит прежде всего от того, насколько эта зона находится выше (по энергетическому уровню), чем валентная зона, т. е. какова затрата энергии, необходимая для такого перехода. Энергетический интервал между этими зонами называют запрещенной зоной, так как в этом интёрвале энергии электроны не могут находиться. Количество энергии, необходимой для указанного перехода, называют обычно шириной запрещенной зоны и выражают в электрон-вольтах. [c.148]

В зависимости от структуры атомов и симметрии кристаллической решетки валентная зона и зона проводимости могут перекрывать рис. 75, б) пли не перекрывать друг друга (рис. 75, а). В последнем лучае между зонами имеется энергетический разрыв, именуемый запрещенной зоной. В соответствии с характером расположения и заполнения зон вещества являются диэлектриками изоляторами), полупроводниками и проводниками (металлами). Ширина запрещенной зоны Af диэлектриков составляет более 3 эВ, полупроводников — от 0,1 до 3 эВ. В металлических кристаллах вследствие перекрывания зон запрещенная зона отсутствует. [c.116]

Ковалентные кристаллы. Заполнение энергетических зон ковалентного кристалла рассмотрим на примере алмаза, у которого ширина запрещенной зоны E 5,7 эВ. Электроны атомов углерода полностью заполняют валентную зону. Поскольку переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует большой энергии возбуждения, которая в обычных условиях не реализуется, алмаз являете диэлектриком. [c.117]

Проводимость может быть вызвана также введением в полупроводник таких примесей, энергетические уровни которых располагаются между валентной зоной и зоной проводимости (т. е. в [c.149]

Ширина запрещенной зоны. Энергетическая полоса между нижней границей зоны проводимости п верхней гран1щсй валентной зоны. Энергетическая полоса, в которой отсутствуют электронные уровшк [c.99]

Электроны переходят от атома ионизирующегося металла к частицам окислителя Ох без непосредственного контакта — через металл (рис. 1.1) по зоне его проводимости. Это энергетически выгодно, так как анодная реакция может протекать на тех участках поверхности металл — среда, где атому Ме легче всего оторваться от решетки, а катодная реакция там, где легче всего адсорбируются или быстрее подводятся частицы Ох. Для сохранения электронейтраль- [c.10]

Этот основной факт наводит на мысль, что в кристаллах рассматриваемого типа зона уровней проводимости образуется обобществлением не верхнего и нижнего электронных состояний соседних молекул, электронный переход между которыми оптически разрешен как между уровнями одинаковой мультиплетности, а именно синглетными Г. Остается возможность образования зоны проводимости путем обобществления не синглетных, а триплетных уровней Г соседних молекул, существование которых хорошо известно из спектров фосфоресценции тех же молекул при низкой температуре и иных фотореакций [17]. Триплетный уровень молекул подобного типа достигается, как известно, не прямым оптическим переходом с нижнего — синглетного уровня молекулы, а обходным путем возбуждения до верхнего синглетного уровня и затем темпового перехода вниз на триплетный промежуточный уровень. Находясь на триплетном энергетическом уровне возбуждения, молекула имеет спин возбужденного электрона, параллельный оставшемуся на исходной молекулярной орбите, в то время как они остаются спаренными, т. е. антипараллель- [c.322]

На рис. 1.44 представлена схема энергетических уровней цепочки атомов водорода для двух предельных случаев Lf WviU W. В первом случае (U- W), который соответствует зонному описанию электронной структуры, уровень Ферми лежит внутри заполненной наполовину зоны, что отвечает металлическому типу проводимости (рис. 1.44, а). Во втором случае (U W), отвечающем гайтлер-лондоновскому пределу с сильными электронными корреляциями, полностью заполненная нижняя зона отделена от незаполненной верхней зоны энергетической щелью, называемой щелью Мотта—Хаббарда. Условно принято считать, что уровень Ферми попадает внутрь запрещенной зоны (рис. 1.44, б). [c.63]

Полупроводниковая миграция энергии (зонная проводимость) отличается от рассмотренных тем, что энергия переносится с помощью относительно свободно перемещающихся зарядов. Все твердые тела по своим электрическим свойствам разделяются на проводники, изоляторы и полупроводники. В основу такого подразделения положен характер строения и заполнения электронами энергетических уровней (орбит). Каждая из электронных орбит атомов или молекул в твердых, преимущественно кристаллических телах, формирует зоны близкорасположенных уровней с участием лишь внешних валентных электронов (электроны внутренних оболочек прочно связаны с ядром). При этом возникают делокали-зованные орбиты, распространяющиеся практически на весь кристалл, и электрон получает возможность передвигаться в его пределах. В проводниках обычно создается одна зона, частично заполненная электронами. Поэтому при наложении напряжения заряды, используя незаполненные уровни, могут легко перемещаться — возникает электрический ток. В противоположность этому у полупроводников и изоляторов валентная (заполненная) зона энергетических уровней отделена от зоны проводимости не заполненной электронами запрещенной зоной АЕ. У изоляторов энергетическая ширина запретной зоны больше (Д >ЗэВ), чем у полупроводников (А ОэВ). Следовательно, у полупроводников электрический ток возникает только тогда, когда электрон из валентной заполненной зоны попадает в зону проводимости, т. е. приобретает внешнюю энергию, равную или большую АЕ. Одним из источников этой энергии является свет. При освещении резко возрастает электропроводность — явление фотопроводимости. Ширина запретной зоны определяется по красной границе электропро- [c.26]

Характерные электрофизические свойства полупроводника-умеренное по сравнению с металлом значение электропроводности и положительный ее температурный коэффициент-определяются, как уже отмечено выше, существованием в электронном спектре полупроводника зоны запрещенных состояний (или энергетической щели) между верхней заполненной и следующей незаполненной зоной (подробнее о физике полупроводников см. [12] сжатое ее изложение можно найти в [1, гл. 1 ]). Согласно зонной теории, твердое тело характеризуется единым электронным спектром, в котором каждый электрон принадлежит всему телу, а не отдельной химической связи. Зонная энергетическая диаграмма той части этого спектра, которая определяет электрические и оптические характеристики полупроводника в шстересующем нас диапазоне электрических напряжений и частот электромагнитного излучения, изображена на рис. 2. Здесь и потолок валентной зоны и дно зоны проводимости соответственно. Разность Е — Е = ширина запрещенной зоны. [c.16]

Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

Металлические кристаллы. У элементов типа натрия и меди имеется только один валентный s-электгон, так что в их кристаллах валентная зона, построенная из атомных 5-орбиталей, заполнена лишь наполовину (рис. 75, б). Следовательно, при незначительном возбуждении энергетическое состояние каждого из электронов может меняться в пределах всей энергетической зоны. Это имеет место, например, при приложении к металлу электрического поля. Тогда электроны начинают двигаться в направлении поля, что определяет электрическую проводимость металлов. [c.116]

Ионные кристаллы. В кристалле хлорида натрия (рис. 75, а) валентные электроны атомов Na (3s ) и l (3s 3p ) заполняют валентную энергетическую зону Зр. В представлении теории ионной связи это отвечает переходу электронов от атомов Na к атомам С и образованию ионов Na+ и СГ. Поскольку энергетическое различие между валентной Зр-зоной и свободной 35-зоной велико (Af 6 эВ), в обычных условиях Na l электронной проводимостью не обладает. [c.117]

Как мы видели, в полупроводниках для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется ср авнительно небольшая энергия. При этом в результате поглощения кванта энергии (нагревание или освещение) связь, обусловливаемая парой электронов, разрывается один из электронов переходит в зону проводимости, и в данном энергетическом состоянии валентной зоны вместо двух электр13нов остается один, т. е. образуется вакансия — так называемая П(Злолсительно заряженная дырка [c.117]

В кристаллическом состоянии часть электронов из ё — оболочек переходит а зону проводимости и возникает возможность обмена электронами между (1— и внешней з —оболочкой. Энергетическая легкость подобного перехода (определяемая работой выхода электрона из металла) приводит к тому, что на внешней поверхности кристалла обрс1зуется определенное число свободных электронов. Их наличие [c.93]

Волькенштейн и Киселев подчеркивают, что при рассмотрении системы адсорбент — адсорбат как единой квантовомеханической системы электронный переход означает лишь переход носителя тока (электрона, дырки) из одного энергетического состояния в другое без фиксации геометрии перехода. Однако прп сохранении иона-ми решетки своих индивидуальных свойств и отсутствии зон проводимости такая трактовка уже становится неприемлемой. В этом случае переход электронов от молекулы органического соединения к твердому катализатору может привести к обычной реакции, восстановления катиона переменной валентности, входяш его в состав катализатора, аналогично тому, как это происходит в гомогенном ката 1изе [c.28]

Большинство катализаторов гидрокрекинга—полупроводники. В отличие от металлов (проводники), для которых переход электронов из валентной зоны в зону проводимости осуществляется легко, без преодоления энергетического барьера, в полупроводниках этот переход требует преодоления энергетического барьера, так называемой энергии акт1шации электропроводности Это объясняется те.м, что в металле атомы — нейтральг ые частицы, и электроны обобществлены. В окислах или сульфидах находятся ионы металлов, и для отрыва электронов требуется затрата энергии. По-этo iy окислы металлов (кроме окислов-изоляторов) начинают проводить ток только после нагревания. В любом окисле или сульфиде всегда сл ществуют пpи [e и пли нарушение стехнометрического состава (избыток. металла или избыток металлоида). [c.145]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология