Основы физики твердого тела: Учебное пособие (содержит конспект лекций и практическую часть), страница 9

С точки зрения зонной теории различие электрических свойств твёрдых тел определяется двумя причинами:  характером расположения энергетических зон и  степенью заполнения зон электронами. Деление веществ на проводники, полупроводники, изоляторы зонная теория обьясняет прежде всего степенью заполнения электронами валентной зоны. Если валентная зона кристалла заполнена не полностью, то кристалл является проводником (рис. 2.7а). Однако, проводником может оказаться и такой кристал, валентная зона которого заполненна полностью, но зона проводимости перекрывает валентную зону (рис. 2.7б).

Если в кристалле валентная зона полностью занята электронами и отделена от зоны проводимости запрещённой зоной, ширина которой достигает величины 1 эВ, то кристалл относится к полупроводникам (рис. 2.7в). Если ширина запрещённой зоны занимает интервал значений ( 1 - 3)  эВ, то вещество относится к изоляторам (рис. 2.7г).

  металл                           металл               полупроводник          изолятор

 E                                    E                                    E                                 E

                   зона                                                                                  зона

                       пров.                                                                     пров.

                                                                         запрещенная            > 1 эВ

                     валентная                                                       1 эВ        зона

                                   зона                                                      

                                                                                     валентная зона

               а)                                 б)                        в)                         г)

Рис. 2.7

Подобно тому, как в изолированном атоме электроны могут совершать переходы между энергетическими уровнями, электроны в кристалле могут переходить из одной зоны в другую (если там есть свободные места), а так же совершать переходы с одного уровня на другой внутри самой зоны. Для перевода электрона с одного уровня на другой внутри зоны требуется энергия порядка 10^-23 эВ. Энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега под действием внешнего электрического поля, составляет 10^-4 – 10^-8 эВ. Этой энергии вполне достаточно лишь для внутризонных переходов. Очевидно, что добавочный импульс за счёт внешнего электрического поля могут принять только электроны не полностью занятой валентной зоны. В кристалле появляется преимущественное движение электронов, обусловливающее появление электрического тока. Такие кристаллы должны быть хорошими проводниками, что и имеет место в действительности.

Внешнее поле, приложенное к полупроводнику, не в состоянии изменить характер движения электронов в валентной зоне, так как оно не способно поднять электроны в вышележащую свободную зону. Внутри же самой зоны, не содержащей ни одного свободного уровня, оно может вызвать лишь перестановку электронов местами, что не нарушает симметрии распределения их по скоростям. Поэтому внешнее электрическое поле не способно привести к появлению направленного движения электронов, т. е. к появлению электрического тока. Вследствие этого полупроводники в обычных условиях обладают практически нулевой проводимостью.

Проводимость полупроводника может быть обусловлена, таким образом, только переходами электронов между валентной зоной и зоной проводимости. Для этого электрон должен получить добавочную энергию, большую или, по крайней мере,  равную ширине запрещённой зоны. Этого можно достичь в двух случаях: 1) за счёт интенсивного нагревания полупроводника; 2) за счёт внутреннего фотоэффекта. В первом случае чистый полупроводник называется терморезистором, во втором – фоторезистором.

3. Элементы физических статистик

                                    3.1. Коллективы частиц