Полупроводник — вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, электрического поля, света и др.).
Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией или занимает определенный энергетический уровень.
рис.1. 1, 2, 3, 4 — разрешенные зоны; 5 — запрещенные зоны; 1,2 — свободные зоны; 2 — зона проводимости; 3 — валентная зона; ΔЭ — ширина запрещенной зоны
В твердом теле благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле (рис. 1.). Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешенной зоной. Электроны в твердом теле могут иметь энергии, соответствующие разрешенной зоне. Верхний энергетический уровень разрешенной зоны называют потолком, нижний — дном.
Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.
Наибольший интерес представляют валентная зона и зона проводимости, так как от их взаимного расположения и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твердых тел. Между разрешенными зонами находятся запрещенные зоны, т. е. области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Для полупроводников (согласно сказанному) наибольшее значение имеет запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости. Она характеризуется шириной запрещенной зоны ΔЭ, т. е. разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.
При температуре 300 К у кремния ширина запрещенной зоны ΔЭ = 1,12 эВ; у германия АЗ = 0,75 эВ; у арсеиида галлия ΔЭ = 0,75 эВ; у карбида кремния ΔЭ = 2,4÷3,4 эВ (для разных политипов).
Ширина запрещенной зоны изменяется с изменением температуры. Происходит это в результате:
1) изменения амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки;
2) изменений межатомных расстояний, т. е. объема тела.
С повышением температуры в первом случае ширина запрещенной зоны уменьшается, во втором случае может быть как уменьшение, так и увеличение ширины запрещенной зоны. У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны с повышением температуры уменьшается.
рис.2.
При наличии в полупроводнике электрического поля энергетические диаграммы целесообразно строить, откладывая по вертикальной оси полную энергию электронов Э — qφ (с учетом потенциальной энергии электрона в электрическом поле), а по горизонтальной оси — геометрическую координату (рис. 2). При таком построении энергетических диаграмм в областях, где существует электрическое поле, энергетические уровни и зоны получаются наклонными, причем угловой коэффициент пропорционален напряженности электрического поля с учетом принятых масштабов по осям, а относительное смещение соответствующих энергетических уровней или зон — разности потенциалов между данными точками объема полупроводника. Коэффициент пропорциональности при этом равен элементарному заряду электрона q; увеличению потенциала соответствует понижение энергетических уровней или зон на энергетической диаграмме.
Источник — Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987.