Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Проте в період найвищого розвитку техніки і теорії електровакуумних 
приладів вони мають гідних конкурентів у вигляді різних напівпровідни-
кових приладів. За порівняно короткий час ці прилади набули великого 
застосування в радіотехнічній апаратурі, оскільки мають ряд цінних якос-
тей: великий строк служби, малі габарити, високу механічну міцність і 
незначне споживання енергії. Ці якості в сукупності забезпечують підви-
щення надійності роботи апаратури при одночасному скороченні витрати 
енергії на її живлення, маси і габаритів. До того ж у ряді випадків напів-
провідникові прилади можуть виконувати функції, недоступні електронним 
лампам. 

У 20-х роках XX ст. О. В. Лосєв відкрив здатність напівпровідникових 

діодів (кристалічних детекторів) генерувати незгасаючі коливання. Проте 
розвиток техніки напівпровідників був припинений, переважно через 
недостатні знання фізичних основ роботи напівпровідникових приладів. 
Внаслідок цього вони тимчасово поступилися електровакуумним прила-
дам, фізичні основи роботи яких були добре вивчені і експериментально 
обґрунтовані. 

У подальшому, в зв'язку з прогресивним розвитком фізики, і особливо 

фізики твердого тіла, було відкрито ряд важливих властивостей напівпро-
відників, які дали можливість значно розширити галузь використання 
напівпровідникових приладів і оцінити їх значення у майбутньому. Тео-

ретичним і експериментальним дослідженням цих властивостей напів-

провідників присвятили свої праці багато вчених. Найбільший вклад у цю 
справу внесли О. В. Лосєв, Б. І. Давидов, Д. І. Блохінцев, А. Ф. Йоффе та ін. 

Будова атома 

Залежно від здатності проводити електричний струм тверді 

тіла поділяють на провідники, напівпровідники та ізолятори. Відмінності 
в провідності між провідниками (металами), напівпровідниками та ізоля-
торами спричинені відмінністю в будові твердих тіл і електронних оболонок 
атомів, з яких вони складаються. 

Атом

 будь-якого елемента складається з позитивно зарядженого

 ядра 

і електронів

, які рухаються навколо ядра. Ядро складається з позитивно 

заряджених

 протонів

 і нейтральних

 нейтронів. Заряд ядра 2 визначаєть-

ся кількістю протонів.

 Заряд електрона за модулем дорівнює заряду про-

тона. 

Кількість електронів, які рухаються навколо ядра атома по замкнених 

орбітах, дорівнює порядковому номеру І елемента

 в періодичній системі 

Менделєєва, внаслідок чого

 за нормальних умов заряд атома речовини 

дорівнює нулю

, тобто атом електрично нейтральний. 

350 

Електрони в атомі утворюють електронні оболонки з порядковими 

номерами

 п

 = 1,

 п

 ~ 2, и = 3,....

 Електрони» які утворюють одну оболон-

ку мають ту саму енергію Е

и

 Е

2

,

 На кожній оболонці може бу-

мі

 2

п

2

 електронів. Між оболонками лежить

 заборонений енергетичний 

рівень

 А.

Е

, ширина якого визначається різницею енергій, яку може мати 

спектром на оболонках: 

АЕ ~ Е

2

 -Е

х

. 

При цьому кожному елементу властиве цілком певне, характерне для 

нього розміщення електронів навколо ядра,. 

Будова натшровідтжів 

Розглянемо для прикладу один з типових напівпровідників -

і срманій, порядковий номер якого 32, Чотири його електронні оболонки 
мають 32 електрони» На першій, найближчій до ядра оболонці, є 2, другій -
X, третій - 18 і четвертій - 4 електрони (рис. 15Л), Електрони трьох внут-
рішніх оболонок - "стійкі" і не беруть участі в хімічних реакціях. Елект-
рони, розміщені на зовнішній оболонці, слабко 
зв'язані з ядром атома. їх називають

 зовнішні-

ми^

 або

 валентними, електронами, оскільки 

нони визначають валентність даного елемен-
та

 -

 здатність його атомів входити в хіміч-

ний зв язок з певною кількістю інших атомів. 

Так, валентність германію, який має на зовніш-

ній оболонці 4 електрони, дорівнює чотирьом. 

При зближенні даного атома з іншим ато-

мом валентні електрони внаслідок слабкого 

зв'язку із своїм ядром легко взаємодіють з валентними електронами ін-

шого атома, утворюючи з ним

 хімічний зв 'язок. 

.Якщо оболонці надається деяка цілком певна енергія, то

 атом може 

іонізуватись

. Для вивільнення електронів, розміщених у зовнішній обо-

лонці атома, потрібна найменша енергія. 

Кристалічні ґрат 

Германій, кремній та багато інших представників класу на-

пі «провідників є кристалічними речовинами; вони характеризуються пев-
ним закономірним розміщенням атомів» Атоми утворюють кристалічні 
і рати, які складаються з окремих елементарних комірок. 

Рис. 15.1 

351 

1 

Кристалічні фати гер-

манію (а також і крем-
нію) подібні до ґрат ал-
мазу (рис. 15.2,

 а).

 Для 

них характерна кубічна 
форма елементарної ко-
мірки, яка містить 8 ато-
мів, Кожний атом гер-
манію, наприклад атом

 2 

на рис. 15.2, а, лежить на 
однаковій відстані від 
чотирьох сусідніх атомів 

ґрат (атомів

 1, 3-5)

 і утворює з ними

 ковалентні

 зв'язки, відомі як най-

стійкіші. Ці чотири атоми розміщені у вершинах правильного тетраедра, 
в центрі якого лежить даний атом (рис. 15.2,

 б). 

Місця кристалічних ґрат, де розміщені атоми, називають

 вузлами ґрат. 

У природі не існує абсолютно чистих кристалів, і для технічної мети їх 
добувають за допомогою ряду складних технологічних операцій. 

§ 136. Енергетичні рівні та енергетичні зони 

Енергетичні рівні та енергетичні зони 

Явища, які відбуваються в провідниках, можна пояснити, ко-

ристуючись законами квантової механіки. Квантова механіка описує за-
кони руху електронів у твердому тілі та їх взаємодію з кристалічними ґра-
тами. 

За законами квантової механіки, кожний електрон в атомі речовини 

може займати тільки певний

 дозволений енергетичний рівень.

 Усі інші 

енергетичні рівні для даного електрона неможливі, або, як їх називають, 

заборонені. 

На рис. 15.3,

 а

 графічно зображено енергетичні рівні електронів одно-

го атома германію. 

Точно описати взаємодію ядер і електронів - дуже складне завдання. 

Кожна частинка, яка входить до складу кристала, взаємодіє з безліччю 
сусідніх частинок, причому всі вони перебувають у безперервному русі. 
Розглядаючи кристал, насамперед треба знати, як поводяться в ньому 
електрони. Що відбувається з енергетичними рівнями атомів у твердому 

тілі? Якщо зблизити два атоми на відстань, меншу за 1 нм, то електронні 
оболонки цих валентних електронів перекриються так, що енергетич-
ні рівні перестануть відповідати енергетичним рівням вільного атома. 

352 

Н процесі утворення кристала енергетичні рівні 

змінюються якісно, енергетичні рівні окремих 

помів трохи зсуваються. Якщо енергетичні 

рівні електрона в ізольованому атОхМІ є вузькими 

лініями, то тепер рівень розщеплюється. Тому в 
кристалі кожний електрон має свій, тільки йому 
властивий певний рівень енергії, що не збігаєть-

ся з рівнем енергії, який займає електрон у віль-

ному атомі. Внаслідок безлічі енергетичних рів-
нів у кристалі і малої відмінності між ними ці 
рівні зливаються в безперервні широкі

 дозволені 

енергетичні зони

, відокремлені

 забороненими 

іонами

 (рис. 15.3,

 б). 

Розщеплення рівнів властиве всім електро-

нам атома, але значення розщеплення для різ-
них рівнів різне, для внутрішніх оболонок воно 

дуже мале. Структуру зон визначають розщеплювані рівні валентних елек-
тронів. 

Ширина енергетичної зони не залежить від розмірів кристала, а 

визначається його будовою, тобто природою атомів, які утворюють 
кристал. 

Як було вже зазначено, найменшу енергію іонізації мають електрони 

зовнішньої, тобто валентної, оболонки германію, які й визначають елект-
ропровідність чистого германію. Енергетичні рівні зовнішніх валентних 
електронів утворюють

 валентну

, або

 заповнену, зону.

 У цій зоні електро-

ни перебувають у стійкому зв'язаному стані. Щоб вивільнити який-
исбудь електрон цієї зони, треба затратити деяку енергію. Отже, електро-
ни, які перебувають у вільному стані, займають вищі енергетичні рівні. 

Зона вищих енергетичних рівнів, розміщена вище від валентної зони 
і відокремлена від неї забороненою зоною, об'єднує незагювнені, або 
вільні, енергетичні рівні; її називають

 зоною провідності

, або

 зоною збуд-

ження. 

Провідники; напівпровідники, ізолятори 

Щоб перенести електрон з валентної зони в зону провідності, 

ііому треба надати ззовні енергію. Ширина забороненої зони, яку має подо-

лати електрон, щоб перейти із стійкого стану (із заповненої зони) у вільний 

с ган (у зону провідності), - один з основних критеріїв поділу твердих тіл на 

метали, напівпровідники та ізолятори. Наочно це подано на схемі розподілу 

дозволених і заборонених зон для напівпровідників та ізоляторів, зображеній 

на рис. 15.4. 

а б 

Рис. 15.3 

І 2

 Фізика 

353 

Високу електропровідність ме-

талів пояснюють тим, що між ва-
лентною зоною і зоною провід-

ності немає забороненої зони, а 

також тим, що в зоні провідності 

ири кімнатній температурі с до-
статня кількість електронів* 

Щоб забезпечити електропро-

відність напівпровідника, тобто пе-
ревести деяку кількість електронів з 
валентної зони в зону провідності, 

треба подолати заборонену зону АЕ. Для цього електронам треба надати 

енергію, не меншу від ширини забороненої зони. Ширина забороненої зони 
напівпровідників становить, наприклад, 0,72 еВ для германію і 1,11 еВ для 
кремнію. Значна ширина забороненої зони ізоляторів (понад 2 еВ) пояснює 
те, що цей клас речовин практично не має електропровідності. 

і натдпробідник  В 

Ізолятор 

Зона

 пробійності 

о ОН а ПроОшНиСті 

Заборонена 

зона 

А і 

<1 

Заборонена 

зона 

А і 

<1 

_— 

Заборонена 

зона 

А і 

<1 

1 Заборонена 

1 зона 

Заборонена 

зона 

А і 

<1 

Валентна

 'зона 

валентна зона 

Рис»

 15 А 

§ 137. Електропровідність напівпровідників 

та її залежність від температури й освітленості 

Власна провідність 

У реальному твердому тілі, якщо вільних рівнів і зовнішнього 

збуджуючого поля немає, електрони можуть вільно переміщатися всере-
дині кристалічних ґрат тіла, але такий хаотичний рух не спричинює утво-
рення електричного струму. Це докорінно відрізняється від моделі зв'яза-
них електронів у діелектриках, за допомогою якої класична теорія пояснює 
відсутність у них провідності. 

Коли електрон під зовнішньою дією переходить з валентної в зону 

провідності, то у валентній зоні залишається вакантне місце або

 дірка 

(білий кружечок на рис. 15.4). 

Перехід частини електронів з валентної зони в зону провідності спри -

чинює появу вільних рівнів у першій з них. Це дає можливість електро-
нам валентної зони, які залишились, також брати участь в електричному 

струмі, переміщуючись по найближчих вільних рівнях у межах самої зони. 
Для зручності міркувань говорять не про рух електронів валентної зони, а 

про рух валентних місць (дірок). 

Рух дірок еквівалентний руху позитивно заряджених частинок з заря-

дом, який дорівнює заряду електрона.

 У хімічно чистому напівпровіднику 

кількість електронів, які перейшли в зону провідності, дорівнює кількості 

дірок, що утворилися у валентній зоні. І ті й інші беруть участь в елект-

354