Электронов возрастает

битах, и вещество не проводит электрический ток. В полупроводниках ( 3.3, в) запрещенная зона // настолько мала *, что даже при комнатной температуре часть валентных электронов валентной зоны /// переходит в зону проводимости. Наиболее широкое применение в полупроводниковых приборах нашли кристаллы германия и кремния. Атомы германия и кремния четырехвалентные, т. е. имеют по четыре валентных электрона во внешней электронной оболочке. Атом германия имеет 32 электрона, вращающихся вокруг ядра, а атом кремния только 14. Поскольку электропроводность полупроводника обусловлена исключительно явлениями, происходящими в валентной Зоне и зоне проводимости, в дальнейшем будем рассматривать только

Следовательно, концентрация электронов проводимости в полупроводниках типа п с донорной примесью является суммой концентрации электронов, перешедших с локальных уровней в зону проводимости, и электронов валентной зоны, перешедших в зону проводимости. Запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости значительно больше запрещенной зоны между локальными уровнями и зоной проводимости, поэтому концентрация электронов, поступивших в зону проводимости с локальных уровней, значительно больше концентрации электронов, перешедших в зону проводимости из валентной зоны.

Разрешенная энергетическая зона, расположенная непосредственно над валентной зоной, Нс1зывается зоной проводимости. Она совершенно .лишена электронов только при температуре Г = 0 К. С повышением температуры тепловая энергия атомов кристаллов возрастает, что приводит к их возбуждению. При этом часть электронов валентной зоны перебрасывается в зону проводимости. Кристалл приобретает свойства проводника, так как, во-первых, освобождается часть разрешенных энергетических подуровней в валентной зоне и, во-вторых, электроны, попавшие в зону проводимости, получают возможность перемещаться с одного подуровня на другой.

Так как примесная и вален"ная зоны размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов валентной зоны переходит в примесную зону. При каждом таком переходе образуется пара носителей зарядов: электрон в примесной и дырка в валентной зонах. Предположим, что к кристаллу приложено внешнее напряжение в несколько десятков вольт. Под действием этого напряжения электроны практически мгновенно «прижмутся» к потолку примесной зоны и потеряют способность проводить ток, соответствующий приложенному напряжению.

Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для ионизации примеси или собственного атома полупроводника. Процесс ионизации атомов разогнавшимся в поле носителем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь способом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.

Физические явления, сопровождающие фотоэффект полупроводников, отличаются большей сложностью. Энергию фотона могут поглощать в полупроводнике не только электроны в зоне проводимости, но и электроны примесей, а также электроны валентной зоны. При комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости .низка п поэтому фототек за счет этих электронов мал. Фотоэмиссия возрастает, если энергия фотона оказывается достаточной для выхода электронов с примесных уровней. При увеличении энергии кванта возникает значительная эмиссия за счет электронов валентной зоны, которые образуют большую часть фототока.

освобожденные возбужденными электронами (дырки), за счет которых может происходить изменение энергии электронов валентной зоны. Исследования показали, что при наличии в валентной зоне дырок возникает электропроводность, имеющая характер движения положительных частиц с зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такая электропроводность называется дырочной. Следовательно, при возбуждении электронов и переходе их из валентной зоны в зону проводимости тело обладает как электронной проводимостью за счет электронов, попавших в зону проводимости, так-и дырочной за счет освободившихся в валентной зоне уровней. Такие твердые тела называются полупроводниками с собственной проводимостью ( 1.5,6). В отличие от металлов собственная проводимость полупроводников должна возрастать с повышением температуры, так как при этом увеличивается число возбужденных электронов и равное ему число дырок.

Физические явления, сопровождающие фотоэффект полупроводников, отличаются большей сложностью. Энергию фотона могут поглощать в полупроводнике не только электроны в зоне проводимости, но и электроны примесей, а также электроны валентной зоны. При комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости .низка п поэтому фототек за счет этих электронов мал. Фотоэмиссия возрастает, если энергия фотона оказывается достаточной для выхода электронов с примесных уровней. При увеличении энергии кванта возникает значительная эмиссия за счет электронов валентной зоны, которые образуют большую часть фототока.

В полупроводниках ( 2-8, в) ширина запрещенной зоны AW составляет 0,01—2 эв. Поэтому при низких температурах такие вещества представляют собой диэлектрики, а при нормальных температурах часть электронов валентной зоны уже может переходить в зону проводимости и получается достаточная проводимость, которая с повышением температуры увеличивается. Кроме того удельную проводимость полупроводников можно изменять в очень широких границах путем ничтожных добавок различных примесей.

Однако с повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости ( 5.6, б). Это приводит к появлению в зоне проводимости «свободных» электронов, а. в валентной зоне — свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При приложении к кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зрны, приводящее к появлению электрического тока. Кристалл становится проводящим. Чем меньше ширина запрещенной зоны и выше температура, тем больше электронов переходит в зону проводимости и тем выше должна быть электропровод-

а — при абсолютном нуле валентная зона укомплектована электронами полностью, зона проводимости пустая; б — при темпе-ратуре, отличной от абсолютного нуля, часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости и в валентной зоне появляются дырки; Ее — энергия дна зоны проводимости; Ев — энергия потолка валентной зоны

При отсутствии напряжения (U = 0) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника ( 10.5). При указанной на 10.6 полярности напряжения (U > 0) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем. Его удельная проводимость велика.

При отсутствии напряжения (U = 0) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника ( 10.5). При указанной на 10.6 полярности напряжения (U > 0) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем. Его удельная проводимость велика.

При отсутствии напряжения (U = 0) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника ( 10.5). При указанной на 10.6 полярности напряжения (U > 0) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем. Его удельная проводимость велика.

Принцип действия фототиристора аналогичен описанному выше. Если к аноду приложено положительное (по отношению к катоду) напряжение, то в темновом режиме крайние переходы окажутся смещенными в прямом, а средний переход - в обратном направлении, и фототиристор будет находиться в закрытом состоянии. При освещении перехода в тонкой базе происходит генерация пар электрон-дырка. Электроны с поверхности диффундируют в глубь дырочного слоя и свободно проходят через средний переход к аноду. При определенной интенсивности светового излучения, соответствующей световой мощности (1—10) •10~2 Вт/см^, концентрация электронов возрастает, вызывая лавинообразное умножение носителей заряда с последующим включением фототиристора. Максимум спектральной чувствительности лежит в диапазоне 0,9-1,1 мкм.

При повышении температуры или ином внешнем энергетическом воздействии на полупроводник энергия электронов возрастает; все большая часть валентных электронов вследствие разрыва ковалентных связей переходит в зону проводимости, и поэтому электропроводность полупроводников увеличивается. Электропроводность полупроводников, обусловленную переходом валентных электронов в зону проводимости, называют электронной электропроводностью, или электропроводностью типа п (от английского слова «negative» — «отрицательный»).

1.56. После прохождения некоторой ускоряющей разности потенциалов электроны поступают в однородное магнитное поле. При каком значении ускоряющего напряжения период обращения электронов возрастает на 50% по сравнению с его значением для малых скоростей?

в среде более высокой температуры, чем другой. Эти дополнительные э. д. с. являются результатом некоторого перехода электронов проводимости от более нагретого конца проводника к менее нагретому вследствие того, что интенсивность теплового движения электронов возрастает с увеличением температуры.

Электрический разряд в газе сопровождается столкновениями электронов с атомами газа. Вероятность этих столкновений зависит от давления в газе и оценивается средней длиной свободного пробега электрона в нем. Результат столкновения электрона с ато-_лом газа различен а зависимости от энергии электрона. При малых энергиях электронов происходят упругие столкновения с атомами газа, сопровождающиеся только изменениями скоростей (точнее импульсов движения) атома и электрона. С повышением напряже-~ння~мёжду "анодом и катодом прибора энергия электронов возрастает и столкновения приобретают неупругий характер. Основными видами таких столкновений являются возбуждение и ионизация атомов газа электронами.

При Е ж 108...1()9 В/м в полупроводнике возникает эффект Штарка — расщепление энергетических уровней, приводящее к уменьшению ширины запрещенной зоны. В связи с этим уменьшается энергия, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Возрастает роль температурного воздействия на полупроводник: с увеличением температуры увеличивается количество свободных электронов, возрастает электропроводность.

Проводниковые материалы представляют собой металлы и сплавы. Металлы имеют кристаллическое строение. Однако основное свойство кристаллического тела — анизотропность — не наблюдается у ме-' таллов. В период охлаждения 'металла одновременно зарождается большое количество элементарных кристаллов, образуются кристаллиты (зерна), которые в своем росте вступают в соприкосновение друг с другом и приобретают неправильные очертания. Кристаллиты приближаются по своим свойствам к изотропным телам. Высокая тепло-и электропроводность металлов объясняется большой концентрацией свободных электронов, не принадлежащих отдельным атомам. При отсутствии электрического поля равновероятны все направления теплового движения электронов в металле. Под воздействием электрического поля в движении электронов появляется преимущественное направление. При этом, однако, составляющая скорости электрона вдоль этого направления в среднем невелика, благодаря рассеянию на узлах решетки, Рассеяние электронов возрастает при увеличении степени искажения решетки. Даже незначительное содержание примесей, таких как марганец, кремний, вызывает сильное снижение проводимости меди. Другой причиной снижения проводимости металла или сплава может явиться наклеп — т. е. волочение, штамповка и т. п. Твердотянутая проволока имеет более низкую проводимость, чем мягкая, отожженная. При отжиге происходит рекристаллизация металла, сопровождающаяся повышением проводимости. Ее величина приближается к первоначальной благодаря восстановлению правильной формы кристаллической решетки. Во многих случаях желательно получение проводникового материала с низкой проводимостью; такими свойствами обладают сплавы — твердые растворы двух типов. Твердыми растворами замещения называют такие, в которых атомы одного из компонентов сплава замещают в кристаллической решетке второго компонента часть его атомов. В твердых растворах внедрения атомы одного из компонентов сплава размещаются в пространстве между атомами второго, расположенными в узлах кристаллической решетки. Если атомы первого и второго компонентов сплава близки по размерам и строению электронных оболочек

ваемая термоэлектродвижущей силой. В общее значение термоэлектродвижущей силы войдут также еще дополнительные ЭДС, которые возникают вдоль каждого из двух однородных проводников вследствие того, что один конец их находится в среде более высокой температуры, чем другой. Эти дополнительные ЭДС являются результатом некоторого перехода электронов проводимости от более нагретого конца проводника к менее нагретому вследствие того, что интенсивность теплового движения электронов возрастает с увеличением температуры.