По способности проводить электрический ток вещества в природе можно подразделить на:
- проводники;
- полупроводники;
- диэлектрики.
Учитывая, что электрический ток формируется направленным движением заряженных частиц, следует предположить, что причиной тока в кристаллических телах является направленное движение электронов, поскольку ядра атомов, формирующие кристаллическую решетку тела, перемещаться не могут. Механизм работы полупроводниковых приборов основан на эффектах и явлениях, возникающих в процессе протекания электрического тока в кристаллическом твердом теле. Учитывая, что объемная электропроводность определяется произведением заряда носителей q, концентрации носителей n, и подвижности носителей µ.
\sigma=q\cdot n\cdot\mu,
для металлов (проводников), в которых электроны ”свободны”, а заряд носителя равен заряду электрона, проводимость, в основном, определяется подвижностью носителей. В полупроводниках и диэлектриках изменение электропроводности определяется, в основном, изменением концентрации носителей.
Энергетическое состояние электрона в атоме и твердом теле
Согласно квантовой теории строения вещества, электрон в атоме может существовать на вполне определенных энергетических орбитах, каждой из которых соответствует определенное значение энергии электрона и определенное количество длин волн, укладывающихся на орбите. Причем на каждой энергетической орбите могут существовать одновременно два электрона, квантово-механические моменты которых (спины) антипараллельны.
Совокупность разрешенных значений энергии электронов, разделенных зонами запрещенных значений, формирует энергетический спектр атома (рис. а). Плотность разрешенных энергетических уровней увеличивается по мере удаления от ядра атома (по мере роста энергии электрона).
При объединении в кристаллическое тело N однородных атомов вещества, электроны внешней энергетической оболочки будут испытывать воздействие не только собственного ядра, но и ядер соседних атомов, в результате чего орбиты электронов претерпевают геометрические деформации, а на энергетической диаграмме каждый энергетический уровень расщепляется на N близко расположенных энергетических подуровней (рис. б), формируя зоны разрешенных значений энергии.
В верхней части диаграммы расщепление столь велико, что зоны запрещенных значений энергии пропадают, и формируется единая зона разрешенных значений энергии электрона, называемая свободной зоной или зоной проводимости. Зона, в которой расположены электроны внешнего энергетического уровня, являющиеся валентными, получила название валентной зоны.
Согласно принципу минимума энергии, при температурах на уровне абсолютного нуля, электроны стремятся занять все максимально близкие к ядру энергетические орбиты, при этом электроны последнего энергетического слоя, являющиеся валентными, уровнем своей энергии определяют характер вещества. Различие между проводниками, с одной стороны, и полупроводниками и диэлектриками с другой, заключается в характере распределения электронов по разрешенным зонам в верхней части энергетической диаграммы, который возникает при температуре близкой к 0OK.
Проводник
Полупроводник
Диэлектрик
Так, если валентная зона и зона проводимости являются единой энергетической зоной, то данное вещество – проводник (рис. 2). Это действиительно так, поскольку даже при сообщении незначительной энергии они способны мигрировать в объеме твердого тела и под действием электрического поля формировать электрический ток. Если же энергетические уровни валентных электронов соответствуют зоне, расположенной непосредственно под зоной проводимости, и эти зоны разделены участком запрещенных значений энергии – запрещенной зоной, то данное вещество – полупроводник или диэлектрик, причем качественная характеристика вещества определяется шириной энергетического промежутка между минимально допустимым энергетическим уровнем зоны проводимости (дном зоны проводимости) и максимально допустимым энергетическим уровнем валентной зоны (потолком валентной зоны). Обычно полупроводниками называют вещества, у которых этот энергетический промежуток не превышает 3 эВ (∆Wз ≤ 3 эВ). Ширина запрещенной зоны определяется как
\Delta W_З=W_П-W_В,
где WП –дно зоны проводимости; WВ – потолок валентной зоны.
Ширина ΔWЗ для германия (Ge) равна 0,62 эВ, для кремния (Si) – 1,12 эВ.
Вещества, у которых ΔWз > 3 эВ, считают диэлектриками.