Зона проводимости - уникальное явление в физике твердого тела. От ее структуры и ширины зависят удивительные электрические свойства веществ - от проводников до диэлектриков. Давайте разберемся, что это такое.
Сущность зоны проводимости
Зона проводимости - это диапазон разрешенных энергетических уровней в твердом теле, лежащий выше зоны проводимости уровня Ферми. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, могут свободно перемещаться по кристаллической решетке под действием электрического поля, обеспечивая электропроводность вещества.
В отличие от изолированных атомов, у которых электроны занимают строго определенные дискретные энергетические уровни, в твердом теле эти уровни расщепляются из-за взаимодействия атомов. Образуются зоны проводимости - куазинепрерывные энергетические полосы с очень близкими значениями энергии.
Связь с электропроводностью
Чем шире зона проводимости , тем больше свободных энергетических состояний доступно для электронов и тем легче им перемещаться под действием электрического поля. Поэтому ширина запрещенной зоны напрямую влияет на электропроводные свойства материалов.
Роль в разных веществах
Зона проводимости играет разную роль в металлах, полупроводниках и диэлектриках:
- В металлах она частично или полностью перекрывается с валентной зоной.
- В полупроводниках между ними есть небольшой энергетический зазор.
- В диэлектриках этот зазор очень велик.
От этого зависит способность вещества проводить электрический ток.
Формирование зоны проводимости
При образовании кристаллической решетки твердого тела из отдельных атомов происходит деформация их электронных орбиталей. Энергетические уровни смещаются и расщепляются на близкие подуровни.
Влияние решетки
Это расщепление вызвано как электростатическим взаимодействием электронов соседних атомов, так и принципом Паули, запрещающим двум электронам занимать одно квантовое состояние.
Из-за близости энергий расщепленные подуровни электронов объединяются в разрешенные энергетические зоны.
Заполнение зон
Самая верхняя валентная зона обычно частично заполнена электронами. Выше нее располагается зона проводимости . При комнатной температуре часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней дырки:
| В металлах | зоны перекрываются |
| В полупроводниках | есть небольшой зазор |
| В диэлектриках | зазор очень велик |
Эти переходы и определяют электропроводность различных материалов.
Свойства зоны проводимости
Свойства зоны проводимости и особенности ее поведения определяются структурой энергетических зон вещества, температурой, типом носителей заряда и другими факторами.
Зависимость от структуры зон
Как мы уже говорили, важнейшим параметром является ширина запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. От нее напрямую зависит концентрация свободных носителей заряда и величина электропроводности.
В металлах с перекрывающимися зонами электропроводность высокая даже при абсолютном нуле. В полупроводниках и диэлектриках для возникновения проводимости требуется энергия активации - перевод электронов через запрещенную зону.
Температурная зависимость
Повышение температуры приводит к тепловому возбуждению электронов через запрещенную зону в полупроводниках. Поэтому их проводимость зоны проводимости растет с ростом температуры, в отличие от металлов.
Типы носителей заряда
Помимо электронов, носителями заряда в полупроводниках могут быть и дырки - свободные места в частично заполненной валентной зоне:
- Электронная проводимость характерна для полупроводников n-типа.
- Дырочная проводимость - для полупроводников p-типа.
Рекомбинация носителей
Помимо генерации носителей заряда, в полупроводниках также происходит их рекомбинация - переход электронов из зоны проводимости обратно в валентную зону с излучением фотона.
Среднее время между актами рекомбинации называют временем жизни носителей заряда. Оно характеризует быстроту установления равновесия носителей в полупроводнике.
Изменение зоны проводимости
Уникальные свойства полупроводников обусловлены возможностью управляемого изменения их зонной структуры и параметров зоны проводимости путем легирования - целенаправленного введения примесей.
Донорные и акцепторные примеси
Различают два типа примесей:
- Доноры создают дополнительные энергетические уровни в
запрещенной зоне, увеличивая концентрацию электронов. - Акцепторы, напротив, захватывают электроны, генерируя дырки.
Полупроводники n- и p-типа
В зависимости от типа легирующей примеси различают полупроводники двух типов:
- С преобладанием электронной проводимости (n-тип) при введении донорных примесей.
- С преобладанием дырочной проводимости (p-тип) при использовании акцепторных примесей.
Примеры легированных полупроводников
Наиболее распространенные примеры:
- Кремний, легированный мышьяком (n-Si)
- Германий с примесями галлия (p-Ge)
Легирование позволяет в широких пределах менять концентрацию и подвижность носителей заряда, а значит - электрофизические параметры зоны проводимости.
