Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов — справочник студента

• Среди твердых тел, как хорошо известно, можно выделить определенные группы веществ, отличающихся природой сил, действующих между атомами в твердом теле, и особенностями их зонной структуры, — металлы, полупроводники, диэлектрики.
• В металлах преимущественным типом химической связи между атомами является металлический тип связи, а в полупроводниках и диэлектриках — ковалентный или ковалентно-ионный и ионно-ковалентный типы связи соответственно.
• С точки зрения зонной структуры1 наиболее важной особенностью металлов является то, что в них верхняя энергетическая зона, содержащая электроны (зона проводимости), имеет незанятые уровни. В диэлектриках и полупроводниках при низких температурах (близких к 0 K) верхняя, целиком заполненная электронами энергетическая зона (валентная зона) отделена от следующей — пустой — зоны разрешенных энергий (зона проводимости) запрещенным участком конечной величины Eg

1Зонная структура образуется всеми возможными электронными состояниями (уровнями энергии) всех атомов, входящих в состав твердого тела. Эти состояния могут быть заполнены электронами или вакантны.

(запрещенной зоной), в котором энергетические уровни электронов отсутствуют. Примеси и дефекты в диэлектриках и полупроводниках могут приводить к появлению уровней в запрещенной зоне, но этих состояний сравнительно мало, так что понятие запрещенной зоны сохраняет смысл.

Полупроводники обычно выделяют в самостоятельную группу веществ. Но если между металлами и диэлектриками имеется качественное различие в зонной структуре, то между диэлектриками и полупроводниками различие только количественное — в величине Eg.

Практически многие полупроводники при низких температурах (вблизи 0 К) ведут себя как диэлектрики, а многие диэлектрики при высокой температуре являются полупроводниками. Условно принято считать полупроводниками вещества, у которых при комнатной температуре Eg < 2–3 эВ.

Однако следует заметить, что существуют и бесщелевые полупроводники, у которых Eg = 0 (например, HgTe и HgSe).

Обычно металлы кристаллизуются в компактные структуры с плотнейшей упаковкой атомов, они обладают одновременно высокой механической прочностью и высокой пластичностью. Полупроводники имеют, как правило, не плотноупакованную структуру, они хрупки вплоть до весьма высоких температур.

Металлы часто легко образуют сплавы с материалами с иной природой химической связи, полупроводники — плохо.

Диэлектрики и полупроводники в противоположность металлам прозрачны для электромагнитных волн от низких частот до некоторой граничной частоты, характерной для каждого материала и называемой основной частотой поглощения или краем собственного поглощения. Как правило, диэлектрики и полупроводники прозрачны в видимой области спектра.

Часто у диэлектриков и полупроводников перед краем собственного поглощения наблюдаются пики примесного и экситонного поглощения.

Рассматриваемые группы материалов различаются величиной удельного сопротивления ρ (или электропроводности σ). Различие в величине ρ и дало повод к введению термина полупроводники (в смысле плохой проводник). Разделение материалов по значениям удельного сопротивления (электропроводности) условно. Принято относить к диэлектрикам

материалы с  ρ = 1010  ÷ 1020   Ом · см  (σ = 10−20  ÷ 10−10   Ом−1см−1);  к

полупроводникам  материалы  с  ρ = 10−4  ÷ 1010   Ом · см  (σ = 10−10  ÷

1.1.  Отличительные свойства полупроводников                                            9

Рис. 1.1. Характерные температурные зависимости удельного сопротивления в металлах и полупроводниках.

104 Ом−1см−1);  а  к  металлам  материалы  с  ρ  =  10−6  ÷ 10−4  Ом · см (σ = 104 ÷ 106  Ом−1см−1).

В металлах основными носителями заряда, как правило, являются электроны проводимости с энергией, близкой к энергии Ферми EF ; в полупроводниках — электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне; в диэлектриках — ионы.

В металлах легко возникает электрический ток за счет перехода электронов под влиянием приложенного извне слабого электрического поля на свободные верхние уровни в одной энергетической зоне.

Большинство свойств металлов обусловлено именно этой низкой энергией возбуждения электронов. В полупроводниках слабое электрическое поле тока вызвать не может (при низких температурах).

Здесь для возникновения тока необходимо перебросить часть электронов в незаполненную зону, преодолев при этом энергетический зазор Eg.

Наличие энергетического зазора приводит к различной зависимости

удельного сопротивления от температуры (рис. 1.1). У металлов ρ, как правило, растет с повышением температуры T в первом приближении по степенному закону

1. ρm = ρ0(1 + αT p),                                     (1.1)
2. где ρ0 — удельное сопротивление при 0 К, α — температурный коэффициент сопротивления, T — абсолютная температура, p ∼ 1.
3. У полупроводников, наоборот, ρs  падает с повышением температуры по экспоненциальному закону
4. ρs = A exp(Ea/kT ),                                     (1.2)
5. где Ea — энергия активации, k — постоянная Больцмана.
6. Разная температурная зависимость удельного сопротивления в металлах и полупроводниках связана с различной температурной зависи
7. мостью концентрации носителей заряда  в них. В случае одного типа носителей
8. 1/ρ = σ = neµ,                                     (1.3)

где n — концентрация электронов, e — заряд электрона, µ — подвижность электронов.

В металлах n практически не зависит от температуры, и температурная зависимость σm связана с температурной зависимостью подвижности электронов, которая определяется рассеянием электронов на любых нарушениях периодичности кристаллической решетки (рассеяние на фононах, рассеяние на дефектах).

Кроме того, носители могут рассеиваться друг на друге. С повышением температуры подвижность носителей в металлах всегда падает за счет их более интенсивного рассеяния тепловыми колебаниями атомов (рассеяние на фононах).

Температурная зависимость, характерная для этих механизмов рассеяния, носит степенной характер, и обычно подвижность падает с повышением температуры (рассеяние на фононах), как и в металлах. Однако n в полупроводниках экспоненциально увеличивается с повышением температуры, и это обуславливает экспоненциальную зависимость ρ от T.

Удельное сопротивление металлов и полупроводников можно изменить с помощью внешних воздействий (механических, облучения, освещения).

В металлах эти воздействия, как правило, уменьшают подвижность µ, и удельное сопротивление увеличивается, причем абсолютная величина этого изменения составляет от нескольких сотых процента до десяти процентов.

В полупроводниках µ также меняется, но, кроме того, указанные воздействия изменяют концентрацию носителей заряда, причем это изменение может достигать нескольких порядков. Особенно следует выделить высокую чувствительность полупроводников к освещению, что является основой создания полупроводниковых фотоприемников.

Для полупроводников характерна высокая чувствительность физикохимических свойств к содержанию химических примесей и структурных дефектов, для металлов — существенно меньшая.

Действительно, примеси и структурные дефекты могут сильно влиять на физические свойства полупроводников, например, на электрические (проводимость).

Одни типы примесей и структурных дефектов не дают никакого эффекта или он совершенно незначителен, другие могут привести к увеличению проводимости на несколько порядков. Действие таких примесей и струк

турных дефектов состоит в основном в том, что они изменяют число носителей заряда.

Более того, само требование высокой степени чистоты и структурного совершенства явилось одной из основных причин того, что широкое применение полупроводников и развитие полупроводниковой техники стали возможны только с конца 40-х годов этого века, хотя первые упоминания о полупроводниках относятся еще к 1833 году.

Таким образом, различие в типах химической связи приводит к резкому различию энергетических и кристаллических структур материалов и их физических свойств.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Источник: http://nauchebe.net/2013/05/otlichitelnye-svojstva-poluprovodnikov/

Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик согласно Зонной теории

В электроэнергетике можно выделить три главные группы материалов: проводник, полупроводник и диэлектрик. Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока. В этой статье поговорим о различии таких материалов и их поведении в электрическом поле.

Что такое проводник

Итак, проводник это — материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости.

• Главной характеристикой проводника является его «сопротивление» (R), измеряемое в Омах или же обратная величина под названием «проводимость», находится по формуле:
• G = 1/R
• И измеряется данная величина в Сименс.
• К проводникам относится: большая часть металлов, углерод (уголь либо графит), разнообразные растворы солей и кислот.

Проводники, у которых перенос заряда выполняется преимущественно за счет движения электронов (электронная эмиссия), называются проводниками первого рода. Если в проводниках перемещение заряда выполняется за счет ионов (электролиты), то они называются проводниками второго порядка.

Наибольшее распространение получили металлы, так как они обладают самой лучшей проводимостью, а значит, имеют меньшее сопротивление протекающему электрическому току.

Так, например, жилы всех питающих проводов (шнуров) выполнены из металлов, являющихся проводниками.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах.

Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует.

К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.

Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов.

yandex.ru

Но если создать определенные условия, например, сильно повысить рабочее напряжение, то диэлектрик может стать проводником. Наверняка вы слышали такое выражение как «пробой изоляции».

Главной характеристикой любого диэлектрика считается электрическая прочность (данная величина равна напряжению пробоя).

Что такое полупроводник

Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник.

Подобные элементы применяются в радиоэлектронике, из них производят транзисторы, тиристоры, диоды, светодиоды и т. д.

Разграничение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики объясняются с помощью Зонной теории твердых тел. Она, конечно, не всеми принимается просто, но познакомиться с ней крайне желательно.

Зонная теория твердых тел

Итак, различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками можно объяснить зонной теорией. Она звучит так:

Как известно из модели атома Бора в атоме электроны размещены на определенных орбитах

yandex.ru

В кристаллической решетке твердого тела орбиты электронов изменяются под неизбежным влиянием соседних атомов и электронов. И по этой причине происходит смещение энергетических уровней удержания электронов.

1. С орбит близких к ядру атома электроны могут перейти на другой уровень чисто теоретически, а вот уже с внешних орбит, которые в твердом теле размываются на подуровни, переход электронов между ними может осуществляться довольно легко.
2. А при приложении электрического потенциала электроны, хаотично перескакивающие по внешним орбитам соседствующих атомов, обретают единый вектор движения и мы наблюдаем электрический ток.
3. Поэтому нижний слой, где имеются свободно перемещающиеся электроны, называют зоной проводимости.
4. Валентной зоной называется область разрешенных энергий и располагается она под зоной проводимости.
5. Для того, чтобы электрон перешел из валентной зоны в зону проводимости, он должен пересечь так называемую запрещенную зону.

Численно она выражается в электрон–вольтах. А энергетические уровни полупроводников, проводников и диэлектриков схематично можно представить следующим образом:

Как видно из рисунка выше у проводника нет запрещенной зоны, то есть валентная зона и зона проводимости имеет область перекрытия. Это значит, что в таком материале даже при незначительном приложении энергии электроны начинают активно перемещаться в пределах тела проводника.

А у диэлектрика запрещенная область настолько широка, что переход электронов из валентной области в проводимую практически исключен. Так как потребуется значительная энергия для преодоления этого барьера, которая вызовет разрушение диэлектрика.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать о диэлектриках, проводниках и полупроводниках. Если вам статья оказалась интересна и полезна, то оцените ее. И спасибо за ваше внимание!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5c11422a220e2000ab355e80

Зонные модели металлов, полупроводников и диэлектриков

Электропроводность твёрдых тел (кристаллов), согласно зонной теории, зависит от характера расположения разрешённых и запрещённых энергетических зон и заполнения электронами разрешённых зон энергии.

Электроны в изолированном атоме при определённых условиях переходят с одного уровня энергии на другой.

В кристаллах электроны перемещаются, как внутри одной и той же разрешённой зоны, так и с одной разрешённой зоны на другую соседнюю разрешённую зону.

Для перехода электронов с одного уровня энергии на другой уровень в пределах одной разрешённой зоны или из одной разрешённой зоны в другую разрешённую зону им необходимо сообщить энергию.

Оценим величину энергии, которую получают электроны кристалла, помещённого во внешнее электрическое поле с напряжённостью Е. В электрическом поле на каждый электрон действует сила Кулона F к, равная

где е — электрический заряд электрона.

Электроны начинают упорядоченно двигаться в одном направлении, возникает электрический ток.

Электроны, проходя расстояние, равное длине свободного пробега /, приобретают кинетическую энергию Л W к

• 5 R
• В электрическом поле с напряжённостью Е ~ 10 _ которая
• м

соответствует обычным источникам электрического тока, электроны получают от электрического поля энергию ~ 10 ’ 3 эВ. Эта энергия намного меньше ширины запрещённой зоны, разделяющей соседние разрешённые энергетические зоны.

При больших значениях напряжённости Е электрического поля происходит пробой кристалла. Поэтому электроны в кристалле под действием внешнего электрического поля могут переходить с одного энергетического уровня на другой только внутри одной и тон же разрешённой зоны, если в ней есть свободные уровни энергии.

Электроны не могут совершить переход из одной разрешённый зоны в соседнюю разрешённую зону, расположенную выше. Для этого электронам необходимо сообщить энергию, равную ширине запрещённой зоны (порядка нескольких электрон — вольт). Электрические поля, создаваемые в кристаллах, не могут сообщить электронам энергию, необходимую для перехода из одной разрешённой зоны в другую.

При нагревании кристалла электроны получают энергию, достаточную, как для переходов их внутри разрешённой энергетической зоны, так и из одной разрешённой зоны в другую зону, расположенную выше. Средняя кинетическая энергия теплового

О

хаотического движения электронов равна _ к ? Т. Величина к • Т при

2

температуре Т = 1 К составляет ~ 10 4 эВ, а при Т = 293 К

величина к Т составляет ~ 4 • 10 эВ. Расстояние между энергетическими уровнями в разрешённой энергетической зоне имеет порядок ~10 23 -10 22 эВ.

Итак, необходимым условием электропроводности кристаллов является наличие в разрешённой энергетической зоне свободных уровней энергии, на которые внешнее электрическое поле или нагревание могли бы перевести электроны.

Введём понятия зоны проводимости и валентной зоны. Тепловое хаотическое движение электронов в кристалле прекращается при температуре Т = О К. Каждый электрон стремится занять уровень энергии с наименьшей энергией.

Электроны располагаются попарно на уровнях энергии в соответствии с принципом Паули, последовательно заполняют разрешённые энергетические зоны, начиная с самой нижней.

Валентной называется самая верхняя разрешённая зона, из полностью заполненных разрешённых зон при Т = О К. Валентная зона образуется из энергетического уровня валентных электронов изолированного атома.

Валентная зона и зона проводимости обозначаются символами ВЗ и ЗП соответственно. Самый верхний уровень энергии валентной зоны называют потолком валентной зоны.

Самый нижний уровень энергии зоны проводимости называют дном зоны проводимости.

Разрешённые энергетические зоны, расположенные выше зоны проводимости (ЗП), свободные, в них нет электронов. Зона проводимости названа так потому, что электроны, перешедшие в эту зону из валентной зоны, могут изменять свою энергию под действием внешнего электрического поля, т. е. участвовать в проводимости кристалла.

Все твёрдые тела (кристаллы) делятся на металлы, диэлектрики и полупроводники в зависимости от характера расположения разрешённых и запрещённых энергетических зон, от степени заполнения электронами уровней энергии в зоне проводимости при Т = О К и ширины запрещённой зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости.

Источник: https://bstudy.net/721685/estestvoznanie/zonnye_modeli_metallov_poluprovodnikov_dielektrikov

Чем отличаются энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков?

Энергетические зоны — это диапазоны энергий, к которым можно отнести энергии электронов. Зоной валентности называют такой диапазон энергий, внутри которого находится энергия электрона, который удерживается кристаллической решёткой. Чтобы электрон покинул атом кристаллической решётки, ему необходимо сообщить большую энергию, чем ширина запрещённой зоны.

Зоной проводимости именуют диапазон энергий, в котором находится энергия электрона, который больше не связан с определённым атомом кристаллической решётки. Уровень Ферми — это такой энергетический уровень, на котором с вероятностью 1/2 находится электрон, и который постоянен при флюктуациях температуры.

Зонная энергетическая диаграмма — это рисунок, на котором показаны энергетические зоны.

На данной зонной диаграмме изображение над буквой (а) соответствует диэлектрикам, над буквой (б) — полупроводникам, а над буквой (в) — проводникам. По вертикальной оси отложена энергия электронов, а горизонтальная ось безразмерна.

Между зонами проводимости и валентности диэлектриков большой незаполненный промежуток, и упорядоченное движение носителей заряда отсутствует.

Между энергетическими зонами проводимости и валентности полупроводников расстояние не велико, и в зоне валентности допустимо появление дырок, а в зоне проводимости такого же числа электронов, что может обеспечить условия протекания тока.

Между зонами проводимости и валентности расположена запрещённая зона. Энергетические зоны валентности и проводимости металлов взаимно перекрываются. В результате передача даже незначительной энергии способна привести к протеканию тока.

Обозначение на схемах:

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля.

Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Е при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n_области в p-область резко падает.

Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Источник: https://studbooks.net/2371038/tehnika/otlichayutsya_energeticheskie_diagrammy_provodnikov_poluprovodnikov_dielektrikov