Энергетические уровни и зоны

Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.

Зонная структура. Твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому» твердое тело характеризуется совокупностью энергетических зон.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, нижняя - валентной зоной. В полупроводниках и диэлектриках они разделены запрещенной зоной. Отличие диэлектриков от полупроводников состоит главным образом в значительно большей ширине запрещенной зоны. При нулевой абсолютной температуре валентная зона всегда полностью заполнена электронами, тогда как зона проводимости либо заполнена только в нижней части, либо полностью пуста. Первый случай свойствен металлам, второй - полупроводникам и диэлектрикам.

При температуре, отличной от абсолютного нуля, ситуация несколько изменяется.

Энергетические диаграммы на рисунке 1.7 построены для энергии электрона. Когда энергия электрона увеличивается, электрон занимает более высокое положение в зонной диаграмме. Если же говорить об увеличении энергии дырки, то это будет соответствовать, очевидно, продвижению дырки вглубь валентной зоны. Энергия электрона и дырки измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Ширина запрещенной зоны равна:

, (1.1)

где и - соответственно энергетические уровни для зоны проводимости и потолка валентной зоны.

а – металл;

б – диэлектрик;

в – собственный полупроводник;

I – зона проводимости;

II – валентная зона;

III – запрещенная зона

Рисунок 1.7 – Зонные диаграммы металла, диэлектрика и полупроводника

На рисунке 1.8 показаны основные параметры зонных диаграмм полупроводников для температуры, отличной от абсолютного нуля. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:

(1.2)

где - ширина зоны при Т=0;

Т – абсолютная температура;

- температурная чувствительность.

Для кремния = 3 10^-4 В/С, а при комнатной температуре = 1,11В.

Энергию, соответствующую середине зоны, называют электростатическим потенциалом.

(1.3)

а – собственного;

б – электронного;

в – дырочного полупроводников

Рисунок 1.8 – Значение энергий в зонной диаграмме