2.1. Зонна структура енергетичного спектра носіїв заряду
Електрони у вільному просторі можуть мати будь-які значення енергії, що визначаються потенціалами наявного там електростатичного поля. У випадку входження електрона до складу ізольованого атома, як відомо з атомної фізики та квантової механіки, він може мати лише деякі дозволені значення енергії Е. Енергетичний спектр електронів набуває дискретного характеру (рис. 1.1, а). Переходи з одного енергетичного рівня на інший пов’язані з поглинанням або випромінюванням енергії. При наближенні атомів і утворенні впорядкованої кристалічної структури, всередині якої виникає періодичне електричне поле, відбувається розщеплення дискретних атомних енергетичних рівнів електронів і утворення енергетичних смуг або енергетичних зон (рис. 3.1, б). У цьому саме й полягає найхарактерніша різниця між енергетичним спектром кристала і спектром ізольованого атома.
Рис.1.1. Розташування енергетичних рівнів у ізольованому атомі (а)
та схематичне зображення утворення енергетичних зон у кристалі
з атомних енергетичних рівнів (б): d – віддаль між сусідніми атомами;
d0 – рівноважна віддаль між сусідніми атомами в кристалі
Крім цього, кожний рівень при зближенні атомів дещо зміщується, оскільки тепер електрон взаємодіє не з одним атомом, а зі всіма атомами кристала. Зміщення та розширення атомних енергетичних рівнів при утворенні кристала наглядно показане на рис. 3.1, б.
Енергетичні зони відділені одна від одної областями енергії, в яких електрони не можуть перебувати. Ці області називають “забороненими зонами”. У відповідності з фундаментальним законом квантової механіки, відомим як принцип Паулі, на кожному енергетичному рівні в зоні можуть бути лише два електрони, що мають протилежно напрямлені власні моменти кількості руху, які називаються спінами. При абсолютному нулі температури всі електрони напівпровідника розташовуються на найнижчих енергетичних рівнях. При цій температурі повністю заповнені електронами енергетичні зони будуть чергуватися із забороненими зонами.
Внаслідок сильної взаємодії найближчих до атомного ядра електронів зі своїми ядрами енергетичні зони, що утворилися з внутрішніх атомних рівнів, завжди повністю заповнені електронами. Тому електрони таких зон не можуть брати участь в електропровідності. Лише зона, що утворилася з енергетичних рівнів валентних електронів ізольованих атомів, за певних умов може бути не повністю заповненою електронами.
Рис. 3.2. Схема руху електронів у валентній зоні
Після того, як частина електронів перейде з валентної зони в зону провідності, валентна зона буде заповнена не повністю. У ній буде відповідна кількість вакантних місць, що створює можливість для руху електронів у валентній зоні (рис. 3.2). Отже, протікання електричного струму через напівпровідниковий кристал зумовлене одночасним переміщенням електронів і в зоні провідності, і у валентній зоні (рис. 3.3). Але переміщення електронів у валентній зоні відбувається складніше, ніж у зоні провідності. Електрон, який знаходиться поряд з вакантним місцем, “перескакує” на це місце і звільняє нову вакансію в напрямку протікання струму. Наступний електрон знову займає вільне місце і т.д. Переміщення вільного місця (вакансії) у валентній зоні ототожнюють з переміщенням деякої частинки, що має позитивний заряд. Цю частинку називають діркою. Переміщення дірок під дією прикладеного до напівпровідника зовнішнього електричного поля відбувається в напрямку протікання струму, але в дійсності воно забезпечується “естафетним” рухом електронів проти напрямку поля.
Електропровідність, яка забезпечується одночасною участю електронів і дірок, називається власною або електронно-дірковою провідністю. Для кожного напівпровідника існує певна температура, при якій настає власна провідність.
Рис. 3.3. Зонна схема власної провідності