Зонная теория проводимости

Поиски более совершенных счетчиков привели к созданию полупроводниковых детекторов (ППД), наиболее широко используются германиевые и кремниевые счетчики. Принцип их действия, подобен принципу действия ионизационных камер. Электрическое поле создается в среде с низкой проводимостью. При проникновении заряженной частицы в эту среду происходят соударения и образуются либо пары ионов, либо электронно–дырочные пары. В идеальном случае заряды должны разделяться электрическим полем и собираться на границах, производя электрический импульс, который можно усилить и записать.

Известно, что электроны в атоме занимают определенные энергетические уровни. Энергетические уровни электронов каждой оболочки атома в совокупности составляют разрешенные зоны. Между разрешенными зонами отдельных оболочек располагаются запрещенные зоны, на которых электроны находиться не могут.

В кристаллах, образующихся в результате сближения большого количества отдельных атомов, происходит смещение энергетических уровней, причем оно больше для внешних (валентных) электронов, чем для внутренних, обладающих большей энергией связи с ядром. В результате каждый электрон в кристалле имеет определенный энергетический уровень, отличающийся от уровня, занимаемого электроном в изолированном атоме. Отдельные энергетические уровни в кристалле, незначительно отличающиеся друг от друга, сливаются в непрерывные разрешенные энергетические зоны, разделенные запрещенными зонами. Для перемещения электрона из одной разрешенной зоны в другую необходимо сообщить ему определенную энергию, чтобы он мог преодолеть запрещенную зону.

Энергетические свойства кристалла зависят от структуры энергетических зон и степени заполнения их электронами. Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют заполненную валентную зону, в которой электроны находятся в связанном состоянии. Для удаления электрона из этой зоны на более высокий энергетический уровень (в свободное состояние или зону проводимости) необходимо сообщить ему определенную энергию. Зона проводимости расположена выше валентной зоны и отделена от нее запрещенной зоной. В металлах запрещенная зона отсутствует, поэтому электроны свободно переходят из валентной зоны в зону проводимости под действием слабого электрического поля. Если зона проводимости отделена от валентной зоны широкой запрещенной областью, электроны не могут попасть в зону проводимости. Электрическая проводимость такого вещества ничтожно мала. Вещества, имеющие запрещенную зону шириной 1–2 эВ, принято называть полупроводниками, шириной более 2 эВ – диэлектриками.

Для теоретического рассмотрения совокупность электронов не полностью занятой валентной зоны удобно дополнить совокупностью квазичастиц–дырок, имеющих положительный заряд. Число дырок равно числу свободных энергетических уровней. При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля носители тока электроны и дырки могут перемещаться. Например, электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости (рисунок 11.1). Такая проводимость носит название собственной проводимости. Концентрация носителей тока электронов и дырок одинакова (n_i = p_i) и при заданной температуре зависит только от ширины запрещенной зоны ΔΕ₃ и массы носителей. При t=20°C у кремния ΔΕ₃= 1,11 эВ, n_i = 1,5´10¹⁰, p_i = 2´10⁵ Ом см; у германия ΔΕ₃=0,72 эВ, n_i =2´10¹³, p_i = 47 Ом см.

Рисунок 11.1 – Структурная схема полупроводника