10.1 : Основы теории полупроводников

Изолированные атомы имеют дискретные уровни энергии, которые хорошо описываются моделью Бора. И она количественно определяет энергию электрона в атоме водорода как En. Более высокие квантовые числа «n» дают менее отрицательные и более близкие уровни энергии электронов.

Формирование группы:

Когда атомы сближаются, как в твердом теле, эти дискретные энергетические уровни начинают расщепляться из-за перекрытия электронных орбиталей соседних атомов. Это разделение происходит из-за принципа Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. По мере объединения большего количества атомов число дискретных энергетических уровней увеличивается, а расщепление становится настолько тонким, что образует непрерывную энергетическую зону. В определенной точке, известной как равновесное межатомное расстояние, эти зоны становятся валентной зоной, заполненной электронами, и зоной проводимости, которая пуста при абсолютной нулевой температуре.

Энергетические зоны в полупроводниках:

Зонная энергетическая структура более сложна в полупроводниках, таких как кремний, который имеет 14 электронов. Внутренние 10 электронов занимают глубоко лежащие энергетические уровни и не участвуют в образовании связи. Остальные четыре валентных электрона, находящиеся в подоболочках 3s и 3p, определяют химические и электрические свойства материала. Поскольку атомы кремния образуют кристаллическую решетку, подоболочки 3s и 3p перекрываются и образуют полосы. На равновесном расстоянии в кристалле эти зоны содержат состояния 4N для валентной зоны и состояния 4N для зоны проводимости, где N — число атомов кремния.

Размер запрещенной зоны имеет решающее значение, поскольку он определяет, насколько легко электроны могут попасть в зону проводимости. Эта запрещенная зона достаточно мала для полупроводников, поэтому тепловая энергия или свет могут возбуждать электроны через зазор, что приводит к электропроводности.