Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников

При образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны Е_V промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной Е_g <(рис. 9.4).Выше запрещенной зоны расположена зона разрешенных для электронов энергетических состояний – зона проводимости Е_c.

Ширина запрещённой зоны, которую должен преодолеть электрон, чтобы перейти из устойчивого состояния в свободное, является одним из главных критериев разделения твёрдых тел на металлы, полупроводники и изоляторы.

Высокая проводимость металлов объясняется отсутствием запрещённой зоны и наличием при комнатной температуре достаточного количества электронов в зоне проводимости.

Значительная ширина запрещённой зоны изоляторов (более 2 эВ) объясняет практическое отсутствие их проводимости.

У полупроводников ширина зоны колеблется от 0,7 эВ до 1,1 эВ.

Рис. 9.4

Зона проводимости при 0 К полностью свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные зонные структуры характерны для кремния, германия, арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих других твердых тел, являющихся полупроводниками.

При повышении температуры полупроводников и диэлектриков электроны способны получать дополнительную энергию, связанную с тепловым движением kT. У части электронов энергии теплового движения оказывается достаточно для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться практически свободно.

В этом случае, в цепи с полупроводниковым материалом по мере повышения температуры полупроводника будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не только с движением электронов в зоне проводимости, но и с появлением вакантных мест от ушедших в зону проводимости электронов в валентной зоне, так называемых дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле.