Тема 1.1.1. Электропроводность полупроводников

Современной физикой доказано, что электроны в твёрдом теле не могу обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определённые значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, то есть находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра надо преодолеть их взаимное притяжение, а следовательно затратить некоторую энергию.

Электроны, удалённые от ядра обладают большими энергиями, то есть находятся на более высоких энергетических уровнях, так как для перевода электрона с орбиты, расположенной ближе к ядру, на более удалённую орбиту необходимо затратить энергию по частичному преодолению сил притяжения электрона к ядру.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном.

Рис 1.1. Атом водорода Рис 1.2. Сближение атомов водорода

Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий.

Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, то есть определёнными порциями.

Электроны, находящиеся на внешней оболочке, называют валентными.

Они образуют междуатомные и парноэлектронные или ковалентные связи в полупроводнике. Сущность ковалентной связи проще всего можно показать на примере образования молекулы водорода из двух атомов. Каждый атом состоит из ядра, содержащего один протон, вокруг которого по круговой орбите вращается один электрон.

При сближении двух атомов водорода взаимодействие между зарядами возрастает и изменяется характер движения электронов вокруг ядер. Они начинают вращаться по общей орбите, расположенной между ядрами атомов. При этом атом оказываются связанными в одно целое, так как взаимное отталкивание положительных ядер уравновешивается притяжением со стороны отрицательно заряженных электронов.

Для примера рассмотрим кристаллическую решётку германия.

При образование молекул между отдельными атомами действуют различные типы связей. Для полупроводников наиболее распространёнными являются ковалентные связи, образующиеся за счёт объединения валентных электронов соседних атомов

Рис 1.3. Ковалентная связь в молекуле водорода (а) и

её плоскостное изображение (б)

Например, в германии, атом которого имеет четыре валентных электрона, в молекулах возникают ковалентные связи между четырьмя соседними атомами.

Рис 1.4. Структура связей атома германия в кристаллической решетки