ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Классификация твердых тел на основе энергетического спектра их одноэлектронных состояний из "Теория твёрдого тела " Изоэнергетическая поверхность, соответствуюш,ая энергии Ферми, называется поверхностью Ферми. [c.145] Оптические, электрические и многие другие свойства кристалла определяются структурой энергетических полос и положением уровня Ферми. [c.145] Пусть энергия Ферми Ер лежит внутри полосы дозволенных энергий или на верхней границе полосы, которая перекрывается с полосой, содержащей уровни с большими энергиями. [c.145] В этом случае в непосредственной близости от Ер будут располагаться свободные состояния. В частности, под влиянием электрического поля в кристалле электроны будут переходить в состояния, соответствующие перемещающимся в кристалле волновым пакетам, переносящим отрицательный электрический заряд. Твердые тела с такой структурой влются металлами (рис. 27). [c.145] Схемы энергетических твердых тел. [c.145] ПОЛОС требуется значительная энергия, так как ближайшие к ним энергетические состояния заняты. В проводимости участвуют только электроны частично заполненных полос. Эти полосы называются зонами проводимости. Ближайшая к зоне проводимости зона заполненных состояний называется валентной зоной. [c.146] К металлам относятся все твердые тела, содержащие нечетное число электронов в элементарной ячейке. Действительно, энергетические уровни электронов вырождены относительно двух проекций спина, поэтому нечетные электроны могут заполнить только половину состояний в верхней зоне. К таким твердым телам относятся все щелочные металлы, медь, серебро, золото, алюминий. Например, в кристалле лития на одну элементарную ячейку приходится три электрона. Они заполняют полторы зоны два электрона с противоположными спинами заполняют первую (1з) зону, а третий — половину второй зоны (2з). К металлам могут относиться и твердые тела, состоящие из атомов с четным числом электронов, если энергия Ферми попадает в область перекрывающихся энергетических полос. К таким твердым телам относятся щелочно-земельные металлы, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут и др. [c.146] У германия и кремния заполненная и свободная полосы расположены сравнительно близко друг от друга. В этом случае уже при комнатной температуре заметное число электронов перебрасывается из заполненной полосы в свободную. При этом в свободной полосе появляются электроны, а в заполненной полосе образуются свободные места — дырки. В этом случае электроны обоих полос участвуют в проводимости. [c.146] В ПОЧТИ заполненной полосе дырочная проводимость). Проводимости германия и кремния возрастают при увеличении температуры, так как при возрастании температуры все большее нпсло электронов заполняет пустую полосу и освобождает заполненную. [c.147] Твердые тела, проводимость которых равна нулю при абсолютном нуле и заметно возрастает при увеличении температуры, называют полупроводника.ыи. В чистых полупроводниках проводимость обусловлена тепловым перебросом электронов из заполненной полосы в свободную и осуществляется как электронами, так и дырками. [c.147] Большое практическое значение имеют также примесные полупроводники. Малые количества примесных атомов в основном кристалле поставляют электроны в зону проводимости, либо захва-. тывают электроны из заполненной полосы, образуя в ней дырки. Например, если в кристалл кремния введено небольшое число атомов мышьяка, то они уже при комнатной температуре могут терять по одному электрону, которые переходят в состояние, соответствующее свободной полосе энергетических состояний кремния. Чем выше концентрация атомов мышьяка и чем выше температура, тем большее число электронов попадает в зону проводимости. Атомы, которые могут отдавать свои электроны в зону проводимости кристалла, называются донорными примесями. Полупроводники с такими примесями называются электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа (электронная проводимость) (см. рис. 27). [c.147] Если в кристалл кремния ввести атомы бора, то они могут захватывать электроны из заполненной полосы. Такие переходы также требуют энергии. Атомы, захватывающие электроны из заполненной полосы кристалла, называются акцепторными примесями. Полупроюдники с такими примесями называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. У них проводимость осуществляется дырками (см. рис. 27). [c.147] Донорные или акцепторные примеси в твердых телах не обязательно состоят из чужеродных атомов. Они могут соответствовать и другим неоднородностям решетки, например, избытку или недостатку атомов, образующих решетку. Вакантные узлы или атомы в междуузлиях играют роль примеси. Естественно, что в примесных полупроводниках равенство между числом. дырок в валентной зоне и числом электронов в зоне проводимости нарушается. [c.147] В валентной зоне и такое же число электронов в зоне проводимости. В отличие от металлов проводимость полуметаллов возрастает при повышении температуры вследствие возрастания числа электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В металлах число электронов в зоне проводимости не зависит от температуры. С повышением температуры увеличиваются потери энергии электронами из-за более интенсивного взаимодействия с фононами. [c.148] Хотя полуметалл имеет одинаковое число электронов и дырок, их роль в проводимости может быть не одинаковой из-за разной подвижности. [c.148] Полуметаллы, в частности, образуются атомами висмута и сурьмы. Они имеют по 5 электронов во внешней оболочке и образуют кристаллы с кубической решеткой, слегка вытянутой вдоль одной диагонали куба. Направление растяжения образует ось симметрии третьего порядка и приводит к большой-анизотропии. Чистый кристалл висмута — полуметалл. Он имеет в 10 раз меньше электронов, нежели медь, но его сопротивление в некоторых направлениях только в 100 раз меньше из-за очень высокой подвижности электронов и дырок. В висмуте и сплавах, богатых висмутом, подвижность электронов в определенных кристаллографических направлениях значительно больше подвижности дырок, поэтому эти сплавы относят к /г-типу. В сур ьме и сплавах, богатых сурьмой, подвижность дырок выше, поэтому эти сплавы относят к р-типу. [c.148] Висмут и сурьма образуют твердые растворы в любых пропорциях. В сплаве висмут — сурьма полуметаллпческпе свойства наблюдаются только в том случае, когда количество сурьмы меньше 5% или больше 40%. В других случаях сплав ведет себя как полупроводник, так как при температуре ниже 220° С появляется энергетическая ш,ель между зоной проводимости и валентной зоной. [c.148] При малых энергиях соответствует тору с поперечным сечением в виде эллипса. [c.148] Вернуться к основной статье