Вопрос 38

Энергетические уровни и зоны. Проводники и изоляторы.

Энергетические уровни и зоны.

Полная энергия электрона равна сумме его кинетической (движение по орбите) и потенциальной (притяжение к ядру). Полная энергия всех электронов называется энергетическим состоянием атомов. Каждой разрешенной для электрона орбите соответствует свое значение полной энергии, которое представляют в виде энергетического уровня. Уровни могут быть разрешенными и запрещенными.

Разрешенный энергетический уровень делится на ряд подуровней. Принцип Паули устанавливает, что на одном уровне может находиться не более двух электронов. Таким образом, электроны не скапливаются на каком-либо одном уровне, а заполняют все разрешенные, называют валентными, т.к. его электроны способны взаимодействовать с соседними атомами, обеспечивая молекулярные связи. Кроме того движение электрона с валентного уровня одного атома на валентный уровень другого атома также будет являться электрическим током.

Проводники и изоляторы.

Атомы, у которых валентная зона заполнена электронами полностью – неэлектропроводны и представляют собой идеальные изоляторы. Энергетическая зона, расположенная над валентной, называется зоной проводимости. При получении атомов энергии, электроны с валентного уровня могут перейти на уровень проводимости. Это обеспечит материал свойством проводника, т.к. электрон с уровня проводимости может переместиться к другому атому.

Вопрос 39

Полупроводник, механизм полупроводимости.

Полупроводник.

Полупроводник занимает место между проводником и изолятором. В одних случаях ведет себя как проводник, в других как изолятор. Полупроводниками являются металлы Германий и Кремний. На их внешних орбитах вращаются по 4 электрона. Такие атомы одинаковы готовы как отдать 4 так и получить 4 недостающих.

Механизм проводимости в полупроводниках.

В кристалле чистого полупроводника каждый атом, помимо собственных 4 электронов, принимают еще 4 на орбиту, общими и соседними атомами, в замен давая возможность войти своим атомам на такие же общие орбиты. В результате каждый атом на орбите имеет полные 8 электронов. В результате материал является диэлектриком.

В случае получения дополнительной энергии, отдельные электроны из этой связки могут оторваться и уйти в свободное движение. (стать свободным носителем электрического заряда.)

Сам атом получит положительный заряд за счет вакантного для электрона места, которое будет называться «дыркой». При приложении к материалу напряжения, в нем появится электрический ток: электроны будут двигаться к одному полюсу, а дырки к другому, материал получит свойства проводника.

Вопрос 40

Р-n переход.

Чтобы сделать полупроводник чистым проводником достаточно внести в него примеси, которые обеспечат или избыток электронов, или избыток «дырок». Например примесь с тремя валентными электронами обеспечивает избыток дырок с пятью электронами.

n- тип (избыток электронов). р-тип (избыток дырок).

Избыток дырок или электроном сохраняется даже при самых низких температурах. При контакте Р и n проводников образуется пограничная область, в которой свободные электроны занимают вакантные дырки. Эта зона становится полным диэлектриком. Если приложить напряжение к такому Р-n переходу, то возникает электрический ток, т.к. слой с нейтрализованными зарядами сузится почти до нуля.

С одной стороны электроны слоя будут освобождаться дырки и двигаться в сторону +, а на их место будут приходить электроны из n- области, а с другой стороны под действием того же магнитного поля дырки будут разрывать свою связь с электронами и уходит в сторону -, а на их место будут приходить дырки из Р области. В результате возникнет движение электрических зарядов, т.е. электрический ток. При изменении полярности напряжения из переходного слоя основные носители зарядов и «отсасываются» . Возникает высокий потенциальный барьер, преодолеть которые носители не в состоянии. Это не относится к неосновным носителям (электроны в Р- области и дырки в n области). Т.к. неосновных носителей в пограничном слое мало, а сам слой оказывается расширенным, то возникший обратный ток получается значительно меньше прямого, в результате Р-n переход обладает выпрямляющим эффектом.