Свободные энергетические

Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

Под действием продольного электрического поля напряженностью ?, создаваемого в проводнике длиной / источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на 1.4).

Свободные электроны и дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи. Разрыв одной валентной связи в электрически нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары "электрон-дырка", изображенной условно на 10.3. Этот процесс называется

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донор-ной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников и-типа свободные электроны называются

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При подключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е^ =~^ЭБ к ^азе потенциальный барьер р-п перехода (п-р-п транзистор на 10.14) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток /э в цепи эмиттеоа. ЕСЛИ между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е„ = t/Kg отрицательным полюсом к базе, то увеличивается потенциальный барьер р-п перехода между базой и коллектором, Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью &КБ этого р-п перехода, образуя ток /к в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор— база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС ЕК (см. 10.4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения (/КБ > 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток /Б в цепи базы.

Давление газа (или паров ртути) в баллоне прибора должно быть мало — в большинстве приборов порядка 10"1—103 Па. Это необходимо для того, чтобы средний свободный (т. е. без столкновений) пробег электронов в таком разреженном газе был достаточно большим. При таком пробеге даже при невысоких напряженностях электрического поля электроны приобретают энергию, необходимую для неупругого взаимодействия с атомами или молекулами газа или пара. При таком взаимодействии в отличие от упругого происходят возбуждение и ионизация атомов газа или паров, т. е. создаются дополнительные свободные электроны и положительные ионы.

Скорость движения электронов во много раз больше скорости движения относительно тяжелых положительных ионов; поэтому и в газоразрядных приборах основными носителями тока остаются свободные электроны. Доля тока, образуемого движением положительных ионов, составляет обычно менее одной десятой общего тока через разрядный промежуток. Полезная роль положительных ионов заключается в том, что их заряды нейтрализуют объемный отрицательный заряд электронов. В разрядном промежутке образуется плазма - среда, для которой характерна высокая концентрация одинакового числа зарядов обоих знаков (примерно 109-1012 пар зарядов в 1 см3). Проводимость газовой плазмы близка к проводимости металлов, благодаря чему в газоразрядном приборе ток может достигать больших значений при малом напряжении между электродами.

Основные носители тока — дырка в ^-области и свободные электроны в «-области — диффундируют из одной области в другую. Вследствие рекомбинации (взаимной нейтрализации зарядов) электронов и дырок между областями /7 и п образуется слой полупроводника, обедненный носителями тока (запирающий слой). Избыточный заряд создается отрицательными ионами /7-области и положительными ионами л-области, причем весь объем полупроводника в целом остается электрически нейтральным. В результате этого в месте /?-л-перехода возникает электрическое поле, направленное из «-области к ^-области и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов.

Принцип работы транзистора типа п-р-п аналогичен рассмотренному принципу работы транзистора типа р-п-р Разница состоит в том, что в транзисторе типа п-р-п напряжения подводятся с противоположной полярностью, а ту роль, которую играли дырки, здесь выполняют свободные электроны.

2. На поверхности катода аналогичные явления приводят к реакции восстановления кислорода, который в присутствии воды отбирает у электрода образовавшиеся свободные электроны согласно следующему уравнению реакции:

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит' рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника и-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой,

Переход валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к появлению в узлах кристаллической решетки положительных ионов. Это создает свободные энергетические уровни в ва-летной зоне, на которые могут переходить валентные электроны соседних атомов. Такое свободное место в валентной зоне называют дыркой.

Электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри разрешенной зоны, если в ней имеются свободные энергетические уровни, а также переходить из одной разрешенной зоны в другую. Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, и электрон, находясь в свободной зоне, может практически плавно менять свою энергию. Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую необходимо затратить энергию, соответствующую ширине запрещенной зоны, которая их разделяет.

У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка, зона проводимости и валентная зона частично перекрываются. При этом образуется свободная зона, имеющая свободные энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические уровни. Это определяет возможность их перемещения под действием внешнего электрического поля и хорошую электропроводность металлов.

В полупроводниках валентная зона и зона проводимости разделены неширокой запрещенной зоной (А ^=0,67 эВ для Ge; 1,12 эВ для Si; 1,41 эВ для GaAs). Под действием внешнего электрического поля, теплового, светового и другого излучений возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные энергетические уровни, а в зоне проводимости появляются свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Генерация носителей заряда приводит к тому, что электроны могут перемещаться в зоне проводимости, переходя на ближайшие свободные энергетические уровни, а дырки — в валентной зоне. Это эквивалентно перемещению положительных зарядов, равных по абсолютной величине зарядам электронов. Перемещение дырок можно представить как заполнение свободных энергетических уровней в валентной зоне электронами близлежащих занятых энергетических уровней.

иание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия ( 2.18). Все остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрывают друг друга. Контактная разность потенциалов, возникающая на гетеропереходе, определяется относительным смещением потолка верхней свободной зоны полупроводников, образующих гетеропереход.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера р-га-пе-рехода или смещение энергетической диаграммы «-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями га-области, занятыми электронами ( 3.60,6). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из га-области в р-область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны «-области, туннельный ток через диод будет максимальным ( 3.60, в).

На 1-5 показана функция распределения электронов в металле по энергиям dN/dE в соответствии с квантовой статистикой Ферми — Дирака. При Т = О К наивысшая энергия электронов в металле соответствует значению энергии Ферми Еф. При повышении температуры тела наиболее быстрые электроны за счет тепловой энергии могут переместиться на более высокие свободные энергетические уровни. Функция распределения dN/dE при Т > О К видоизменяется: вероятность замещения энергетических состояний, лежащих выше уровня Еф, оказывается отличной от нуля. При некоторой температуре полученная электронами энергия оказывается достаточной для совершения ими работы выхода,

На зонной энергетической диаграмме это движение, сопровождаемое в общем случае взаимодействиями электрона с другими частицами и изменением его энергии, можно представить как хаотическое перемещение на свободные энергетические уровни, вниз или вверх — в зависимости от того, уменьшается или увеличивается энергия в процессе движения. Движение дырки в пространстве обусловлено конечной вероятностью замещения разорванной валентной связи в результате хаотических туннельных переходов электронов соседних атомов. Как это видно из 9-7, перемещение электронов последовательно от атома В к атому Б, затем к атому А и т. д. эквивалентно движению дырки в обратном

Спектр собственного поглощения достаточно широк, так как при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, лежащие дальше от дна зоны проводимости. Эти свободные электроны, обладающие более высокой энергией — «горячие» электроны — в процессе движения за некоторое среднее время tp рассеивают избыток энергии на кристаллической решетке и опускаются на более низкие свободные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости. Причем время ?р, как правило, значительно меньше среднего времени жизни свободной частицы, разделяющего моменты генерации и рекомбинации частиц.