Электроны расположенные

Результирующий ток через переход складывается из двух встречных потоков электронов. Из р- в n-область валентные электроны переходят на свободные уровни в зоне проводимости, а из п-в р-об-ласть электроны проводимости переходят на свободные уровни валентной зоны. При отсутствии смещения, что соответствует нулевой точке вольт-амперной характеристики ( 5.25), эти два потока взаимно уравновешиваются и /пр = 0.

Дрейфовые токи в металлах, полупроводниках и идеальных диэлектриках описываются законом Ома при условии Е <С Екр (см. §2.1). Свободные носители заряда (электроны в зоне проводимости, дырки в валентной зоне, а также электроны проводимости в металле) не связаны с отдельными атомами кристаллической решетки и способны до столкновений проходить путь, значительно превышающий межатомные расстояния. Поэтому рассмотрение дрейфовых токов возможно на основе простейшей модели свободных носителей заряда, находящихся в потенциальной яме ( 4,1, а).

где Ла и 5а— конструктивные постоянные; W — работа выхода; Ей — напряженность электрического поля у поверхности катода. Разновидность холодного катода — туннельный катод. Конструктивно туннельные катоды выполняют в виде основания— металлической пластинки (обычно из тантала), покрытой тонким слоем (30—40 А) изолятора (обычно это слой оксида металла катода, в данном случае — тантала). Поверх слоя изолятора наносится эмиттер — тончайший слой металла (10—20 А), на который подается положительное относительно нижней металлической пластинки напряжение 10—20 В. Из-за малости межэлектродных расстояний между эмиттером и основанием действует электрическое поле напряженностью 107—108 В/см, которое захватывает электроны проводимости, находящиеся в нижней металлической пластинке, ускоряет их и придает энергию, необходимую для преодоления слоя изолятора и «прострела» тонкого

а исток И и сток С имеют п+-проводимость и получены диффузионным способом. Исток И и сток С соединены сравнительно тонким каналом ^С с незначительной n-проводимостью. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п-канала в основание О и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала (что хорошо видно из рассмотрения зависимости /с от напряжений Ua и Uc, приводимых на 19, д). При подаче на затвор положительного напряжения n-канал обогащается электронами и проводимость его увеличивается. Если подается отрицательное напряжение, то канал обедняется носителями заряда и его проводимость уменьшается (кривые 1 и 2).

Наиболее часто переключатели выполняют на основе халько-генидных стекол: на полированную пластинку графита осаждают в вакууме тонкий слой (несколько десятков — сотен микрометров) халькогенидного стекла, поверх которого наносится тонкий слой металла. Полученная таким образом трехслойная структура имеет вольт-амперную характеристику, подобную приведенной на 20, г (характеристика симметрична, на рисунке приведена только правая часть). При подключении источника питания к графитовому и металлическому слоям через слой полупроводника начинает протекать ток, плавно увеличивающийся по мере увеличения приложенного напряжения. При достижении некоторого напряжения ?/вкл ток резко возрастает — происходит так называемый тепловой пробой, при котором выделяющееся в слое полупроводника тепло оказывается достаточным для возбуждения валентных электронов атомов полупроводника и превращения их в электроны проводимости. При уменьшении тока, проходящего через прибор, до значения /ВЫКл происходит его выключение, поскольку выделяющееся в слое полупроводника тепло оказывается недостаточным для термоионизационных процессов; число электронов проводимости резко уменьшается и проводимость резко падает. Включение-выключение переключателя происходит весьма быстро (10~в—10~7 с), что позволяет использовать его на частотах в единицы — десятки мегагерц.

Фоторезистивные приборы. Фотоны света, взаимодействуя с атомами полупроводника, передают энергию валентным электронам. Если эта энергия достаточно велика, то валентные электроны переходят в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне. Образовавшиеся электроны проводимости и дырки в валентной зоне увеличивают электропроводимость полупроводника. Это позволяет создавать полупроводниковые фоторезисторы, сопротивление которых обратно пропорционально интенсивности светового потока. Фоторезисторы используют для тех же целей, что и фотоэлементы, но они значительно их чувствительнее и проще в изготовлении. В простейшем случае фоторезистор представляет собой тонкую пластинку полупроводника, к торцам которой присоединены контакты.

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости ( 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной

При температурах, близких к комнатной, в примесных полупроводниках, как и в полупроводниках с собственной электропроводностью, происходит генерация электронов и дырок. Таким образом, кроме носителей заряда, возникших в результате ионизации атомов примеси, появляются электроны и дырки собственной электропроводности. Подвижные носители заряда, концентрация которых в примесных полупроводниках преобладает (электроны проводимости в полупроводнике типа п и дырки в полупроводнике типа р), называют основными, а носители заряда, концентрация которых мала (электроны в полупроводнике типа р и дырки в полупроводнике типа п),— неосновными.

галлий) примеси. При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома вместе с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним» ( 2.7). Энергия связи его со своим атомом намного меньше энергии, необходимой для освобождения валентного электрона. При комнатной температуре «лишние» электроны примесных атомов становятся свободными. При этом образуются электроны проводимости и неподвижные положительные заряды — атомы примеси, потерявшие эти электроны.

Под воздействием внешнего электрического поля электроды проводимости в металлической пленке приобретают направленный импульс, появляется электрический ток. Электроны проводимости рассеиваются в пленке, на ее поверхностях и решетке, на примесях и дефектах структуры. По правилу Маттисена процессы рассеивания аддитивны, т. е.

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают на расстоянии, равном длине свободного пробега, энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

В кристаллических полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) часть разрешенных зон (с меньшей энергией) полностью заполнена электронами, а в остальных электроны отсутствуют. В верхней заполненной зоне находятся электроны, расположенные на внешних оболочках атомов и участвующие в химических связях с соседними атомами, так называемые валентные электроны. Поэтому эту зону называют валентной. Нижнюю, не занятую электронами зону разрешенных уровней называют зоной проводимости.

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Проводники делятся на два класса. К проводникам первого класса, в которых возможно перемещение только электронов, относятся металлы и их сплавы. В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, сравнительно слабо связаны с ядрами атомов, отчего часть электронов перемещается между атомами, переходя из сферы действия одного ядра в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа, который иногда называют «электронный газ».

ме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периодической системе элементов. Электроны в атомах взаимодействуют с ядром и друг с другом. Электроны, расположенные на внешних орбитах, под воздействием соседних атомов или вследствие других причин могут покидать свою орбиту, становясь свободными и перемещаясь между атомами в различных направлениях и с различными скоростями.

1.1. Схема строе- заны с ядром слабее, чем электроны, находя-ння атома водорода щиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Поэтому под действием соседних атомов или вследствие других причин внешние электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома. Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными электронами. Они определяют химическую активность вещества, т. е. участвуют в создании химической связи между атомами. Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название свободных электронов. Они перемещаются внутри вещества между атомами в различных направлениях и с различными скоростями. При наличии внешнего электрического поля беспорядочное движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным. В результате возникает электрический ток. Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электрический ток на проводники, полупроводники и диэлектрики.

2. Какая закономерность объясняет следующее утверждение: «Электроны, расположенные на внешних орбитах атома, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах»?

Электроны, расположенные ближе к ядру, обладают меньшими энергиями, т. е. находятся на более низких энергетических уровнях. Переход электрона на более высокий уровень требует затраты энергии на преодоление взаимного притяжения между электроном и ядром, т. е. более удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями. Переход электрона на более низкий уровень сопровождается выделением избытка энергии в виде излучений. В веществах, образованных совокупностью атомов, вследствие влияния соседних атомов энергетические уровни несколько изменяются, образуя энергетические зоны. Эти зоны отделяются областями, в которых электроны не могут находиться, поэтому они называются запрещенными зонами. Электроны атома стремятся иметь наименьший энергетический уровень, т. е. занять ближайшие к ядру орбиты. Если у атома не хватает электронов для заполнения всех уровней, то внешние орбиты могут оказаться частично или полностью не занятыми. Следовательно, и энергетические зоны, соответствующие разрешенным уровням, могут быть заполненными или свободными.

Иная картина наблюдается для вырожденного газа. В таком газе основная масса электронов, энергия которых меньше ферми-евской, не может принимать участия в процессах рассеяния и изменять состояние своего движения под действием внешнего поля, так как это связано с переходом электронов на соседние уровни энергии, которые полностью заняты. Поэтому реагировать на внешнее поле могут только электроны, расположенные у уровня Ферми (ферми-евские электроны). Под действием внешнего поля <§ эти электроны, как показано на 7.1,6, смещаются из левой части распределения в правую. При этом слева, откуда электроны уходят, фермиевское

Сверхпроводимость обусловлена взаимодействием электронов с фононами. Энергия фонона tiat не может быть сколь угодно большой, так как длина соответствующей акустической волны ограничена в кристалле снизу размером, приблизительно равным периоду решетки. Максимальная энергия фонона соответствует в температурной шкале дебаевской температуре TD. Поэтому переходить в связанное состояние в сверхпроводнике могут лишь электроны, расположенные вблизи уровня Ферми (Wp ~ 10* К)

Электроны, находящиеся в атомах ближе к ядру, экранированы от взаимодействий более высоко расположенными электронными оболочками, так что соответствующие уровни расщепляются слабо. Наиболее сильно взаимодействуют валентные электроны, расположенные на внешних оболочках. Из уровня, на котором в изолированных атомах находятся валентные электроны, образуется валентная зона. При абсолютном нуле температуры валентные электроны заполняют попарно уровни валентной зоны, начиная с самых нижних. Если после размещения всех валентных электронов в этой зоне остаются незанятые уровни, то такой кристалл сможет проводить электрический ток подобно металлам. Действительно, электроны могут при этом еще увеличивать свою энергию, перемещаясь под действием, например, внешнего электрического поля. Если же вся валентная зона оказывается занятой электронами, то мы имеем дело в этом случае с кристаллами полупроводника или изолятора. Здесь проводимость может возникнуть только при переходе электрона из полностью занятой валентной зоны в более высоко расположенную разрешенную зону, образованную из уровней возбужденных состояний изолированных атомов (зону проводимости). Для такого перехода электрону необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны — зазора между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Е является важнейшей характеристикой материала. По величине Ед проводят условную границу между полупроводниками (Ед ^ 3 эВ) и изоляторами (Ед > 3 эВ).

щих положительный электрический заряд, и электронов, обладающих эквивалентным по величине отрицательным зарядом. У одиночного атома кремния имеются два электрона на атомной орбитали Is (записывается Is2), два электрона на орбитали 2s (2s2), 6 — на орбитали 2р (2р6), 2 — на орбитали 3s (3s2) и 2 — на орбитали Зр (Зр2). Для атомов кремния в кристалле наибольшее воздействие со стороны соседних атомных ядер оказывается на 3s2- и Зр2-электро-ны внешней оболочки, s- и р-орбитали внешней оболочки в кристалле взаимосвязаны и образуют смешанные орбитали. Так, у кристалла кремния с координационным числом 4 существует смешанная зр3-орбиталь и электроны внешней оболочки вращаются не только вокруг собственного ядра, но и вокруг ядер соседних атомов. При этом на одной смешанной зр3-орбитали находятся по два электрона от каждого соседнего атома, т. е. всего 8 электронов. Следовательно, орбитали внешних атомных оболочек в кристалле кремния имеют замкнутую форму, охватывающую соседние атомы, и образуют ковалентные межатомные связи. Этими связями обладают электроны, расположенные на орбиталях внешней оболочки. Поэтому такие электроны называются валентными. На 2.6 показаны расчетные распределения плотности электрического заряда валентных электронов в кристаллах Si и GaAs. В кристалле Si точка максимальной плотности заряда валентных электронов расположена посередине связи Si—Si, а в кристалле GaAs эта точка расположена ближе к атому As. В последнем случае на ковалентную связь оказывает влияние ионная

Пусть теперь электроны, расположенные вблизи верхней части (потолка) зоны под действием теплового возбуждения покинут зону, образуя незаполненные электронами (или вакантные) состояния. Тогда из (2.12) получим следующее выражение: