Чем отличаются по зонной теории диэлектрики полупроводники и металлы


Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории — Студопедия

Зонная теория позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заселением электронами разрешенных зон, и во-вторых, шириной запрещенных зон.

Рассматривая заполнение электронами разрешенных зон необходимо использовать два правила: 1) Электроны стремятся занять самые низкие энергетические уровни. 2) Принцип Паули: на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов. Эти электроны должны иметь разные спины.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если уровень атома полностью заполнен, то и зона полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных – частично заполненные зоны. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена и образовалась из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов (рис.2).

Это означает, что возможны только внутризонные переходы, так как междузонные переходы имеют много большую энергию. Необходимым условием электрической проводимости является наличие в разрешенной зоне свободных энергетических уровней на которые электрическое поле сторонних сил могло бы перевести электроны. В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенных на рис.3.


3а). Зона проводимости заполнена лишь частично., то есть в ней имеются вакантные уровни. В этом случае электроны, получив сколь угодно малую энергетическую добавку ( от поля или теплового движения) переходят на более высокий энергетический уровень той же зоны, то есть они участвуют в проводимости. Такой переход возможен, так как 1 К = 10-4 эВ, что много больше расстояния между уровнями равному 10-22 эВ. Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.


3б). Возможно также такое перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое привело к тому, что вместо двух частично заполненных зон кристалла окажется одна целиком заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон –вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах.

3в). Если запрещенная зона достаточно узка ( эВ), то переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию , и кристалл является полупроводником.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например для NaCl =6 эВ), а для полупроводников достаточно узка (для германия =0,72 эВ). При температурах близких к 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, то есть переброс электронов в зону проводимости не происходит.

Сущность зонной теории проводимости заключается в следующем:

1). При объединении атомов в кристалл твердого тела возникают энергетические зоны.

2). Ширина запрещенных зон и характер заполнения электронами разрешенных зон обуславливают электрические свойства твердого тела – оно может быть или металлом, или полупроводником, или диэлектриком.

Лекция 16
Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.

Зонная теория твердого тела

Большинство твердых веществ являются изоляторами, и с точки зрения зонной теории твердых тел это означает, что существует большой запрещенный промежуток между энергиями валентных электронов и энергией, с которой электроны могут свободно перемещаться через материал (зона проводимости). .

Стекло - это изоляционный материал, который может быть прозрачным для видимого света по причинам, тесно связанным с его природой как электрического изолятора. Фотоны видимого света не обладают достаточной квантовой энергией, чтобы перекрыть запрещенную зону и поднять электроны до доступного уровня энергии в зоне проводимости.Видимые свойства стекла также могут дать некоторое представление о влиянии «легирования» на свойства твердых тел. Очень небольшой процент примесных атомов в стекле может придать ему цвет, обеспечивая определенные доступные уровни энергии, которые поглощают определенные цвета видимого света. Рубиновый минерал (корунд) представляет собой оксид алюминия с небольшим количеством (около 0,05%) хрома, который придает ему характерный розовый или красный цвет за счет поглощения зеленого и синего света.

Хотя легирование изоляторов может резко изменить их оптические свойства, этого недостаточно для преодоления большой запрещенной зоны, чтобы сделать их хорошими проводниками электричества.Однако легирование полупроводников гораздо сильнее влияет на их электропроводность и является основой твердотельной электроники.

.

Band Theory of Semiconductors - Engineering LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Энергия диапазона
    1. Валентная полоса
    2. Зона проводимости
    3. Уровень Ферми
  2. Полупроводники
    1. Внутренние полупроводники
    2. Внешние полупроводники
  3. Проблемы
  4. Ответы
  5. Ответы
  6. Ответы
  7. Согласно зонной теории, полупроводники фактически действуют как изоляторы при абсолютном нуле.Выше этой температуры, но все же остается ниже точки плавления твердого тела, металл будет действовать как полупроводник. Полупроводники классифицируются по полностью занятой валентной зоне и незанятой зоне проводимости. Из-за небольшой ширины запрещенной зоны между этими двумя зонами требуется определенное количество энергии для возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Отсюда следует, что чем выше температура, тем более проводящим будет твердое тело (Рисунок 1).

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Чрезвычайно упрощенная диаграмма энергетической полосы.Z представляет собой один атом с произвольным уровнем энергии. Когда все больше и больше атомов Z взаимодействуют, образуя кристаллическую решетку, все они имеют практически вырожденные энергетические уровни. Таким образом, все эти энергетические уровни становятся полосой, которая представлена ​​энергетическими уровнями, заключенными в коробку.

    Band Energy

    Как указывалось ранее, непрерывные полосы энергии образуются за счет комбинаций близких по энергии молекулярных орбиталей. Конечно, из-за массовых количеств различных молекулярных орбиталей будут формироваться полосы с различной энергией.Разница между энергиями этих зон известна как ширина запрещенной зоны , как показано на рисунке 2.


    Рис. 2. Синие прямоугольники представляют зоны проводимости, а желтые прямоугольники - валентные зоны. Затенение прямоугольников указывает на концентрацию электронов внутри полосы. (а) зонная энергия изолятора (б) зонная энергия полупроводника (в) зонная энергия металла

    Зонная теория рассматривает скачок электронов через запрещенную зону. В частности, скачок электронов из их валентной зоны в зону проводимости через их уровень энергии Ферми .Этот «скачок» определяет оптические и магнитные свойства твердого тела.

    Валентный браслет

    Энергетическая полоса, в которой находятся все валентные электроны и находятся на молекулярной орбитали с самой высокой энергией.

    Проводящая лента

    Энергия полосы, в которой существуют положительные или отрицательные носители заряда . Отрицательные мобильные носители заряда - это просто электроны, у которых было достаточно энергии, чтобы покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости. Здесь они свободно перемещаются по кристаллической решетке и непосредственно участвуют в проводимости полупроводников.Положительные мобильные носители заряда также обозначаются как отверстий . Отверстия указывают на отсутствие электрона в зоне проводимости. Другими словами, отверстие относится к тому факту, что внутри зоны есть место, где электрон может существовать (то есть отрицательный мобильный носитель заряда), и все же электрон перестает существовать в этом конкретном месте. Поскольку у электрона есть потенциал , чтобы быть там , но при этом не , он называется положительным переносчиком заряда.

    Уровень Ферми

    Этот уровень относится к самой высокой занятой молекулярной орбитали при абсолютном нуле. Обычно он находится в центре между валентной зоной и зоной проводимости. Каждая из частиц в этом состоянии имеет свои собственные квантовые состояния и обычно не взаимодействует друг с другом. Когда температура начинает подниматься выше абсолютного нуля, эти частицы начинают занимать состояния выше уровня Ферми, а состояния ниже уровня Ферми становятся незанятыми.

    Полупроводники

    Полупроводники определяются как имеющие проводимость между изолятором и проводником.Благодаря этому свойству полупроводники очень распространены в повседневной электронике, поскольку они, скорее всего, не будут закорачивать, как проводники. Они получают свою характерную проводимость за счет небольшой ширины запрещенной зоны. Наличие запрещенной зоны предотвращает короткое замыкание, поскольку электроны не постоянно находятся в зоне проводимости. Небольшая запрещенная зона позволяет твердому телу иметь достаточно сильный поток электронов из валентной зоны в зону проводимости, чтобы иметь некоторую проводимость.

    Электроны в зоне проводимости освобождаются от ядерного заряда атома и, таким образом, могут свободно перемещаться по зоне.Таким образом, этот свободно движущийся электрон известен как носитель отрицательного заряда , поскольку наличие электрона в этой полосе вызывает электрическую проводимость твердого тела. Когда электрон покидает валентную зону, состояние становится положительным зарядом , несущим r, или дыркой , .

    Внутренние полупроводники

    Чистые полупроводники, свойства которых основаны исключительно на самом материале. Здесь количество электронов в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне.Эти полупроводники также известны как i-type .

    Внешние полупроводники

    Загрязненные полупроводники, которые были «легированы» для повышения его проводимости. Есть два типа внешних полупроводников: p-типа и n-типа . К решетке добавляется «легирующий» атом, чтобы отводить электроны из валентной зоны. Этот атом обозначается как акцептор . По мере того, как к решетке добавляется больше акцепторов, количество дырок начинает превышать количество отрицательных носителей заряда, что в конечном итоге приводит к полупроводнику p-типа (положительного типа).Полупроводники N-типа имеют большое количество доноров, «легирующих» атомов, которые отдают электроны зоне проводимости.

    Проблемы

    1. Как ширина запрещенной зоны показывает, является ли ваше вещество изолятором, полупроводником или проводником?
    2. Для чего нужен полупроводник p-типа? N-типа?
    3. Какова цель понимания теории полос?

    Ответы

    1. Очень большая запрещенная зона указывает на наличие изолятора - поскольку электрону требуется много энергии, чтобы «перескочить» из валентной зоны в зону проводимости, проводимости вряд ли будет.В проводниках (металлах) запрещенная зона равна нулю, поэтому валентная зона и зона проводимости перекрываются. Это обеспечивает постоянную проводимость. Таким образом, полупроводники имеют очень маленькую запрещенную зону, что означает, что их проводимость находится между проводимостью изолятора и проводника.
    2. Проводники P-типа создают множество дырок, в то время как n-типы создают множество отрицательно заряженных носителей (электронов проводимости) для материала-хозяина.
    3. Объясняет металлический характер вещества (и, следовательно, его проводимость).

    Авторы и авторство

    Список литературы

    1. Neamen, Дональд (2006). Введение в полупроводниковые приборы (1-е изд.) McGraw-Hill.
    2. Housecroft, Cathernie E .; Шарп, Алан Дж. (2008). Неорганическая химия (3-е изд.) Pearson Education Limited.
    .

    В чем разница между полупроводниками, проводниками и изоляторами в зависимости от их энергетических зон?

    Металлы - хорошие проводники электричества. Изоляторы - плохие проводники электричества. Точно так же полупроводниковые устройства являются частичными проводниками электричества, что означает, что их проводимость лежит между проводниками и изоляторами.

    Давайте сначала обсудим уровень Ферми. Уровень Ферми - это уровень энергии, занимаемый электроном в диапазоне температур от нуля Кельвина.Таким образом, при температуре ноль Кельвина уровни энергии ниже, чем уровень Ферми, полностью заполнены электронами. Когда мы передаем энергию электронам, они будут поглощать энергию один за другим и переходить на более высокие энергетические уровни. Ясно, что электроны, находящиеся на больших расстояниях от ядра, не будут сильно затронуты более сильными ядерными силами. Другими словами, мы можем сказать, что эти электроны относительно свободны по сравнению с другими электронами.Эти материалы классифицируются как твердые тела, металлы и изоляторы согласно расположению проводимости, а также валентных зон.

    Металлы: В случае металлов электроны частично заполняют зону проводимости. Также имеет место перекрытие обеих зон, то есть валентной зоны и зоны проводимости. Это показывает, что запрещенная энергетическая щель отсутствует. Схема представлена ​​ниже:

    Электроны, которые находятся ниже уровня Ферми, способны получать энергию от какого-либо внешнего источника и могут переходить на более высокие энергетические уровни выше уровня Ферми i.е. в зоне проводимости. Тогда эти электроны будут вести себя как свободные электроны. Благодаря наличию этих свободных электронов металлы ведут себя как хорошие проводники электричества. Когда к металлам прикладывается небольшое электрическое поле, движение электронов начинается в направлении, противоположном направлению электрического поля. Это движение электронов приводит к генерации тока.

    Изоляторы: В случае изоляторов запрещенный энергетический зазор чрезвычайно высок по сравнению с проводниками.С другой стороны, его валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Возьмем, к примеру, алмаз. Приблизительное значение запрещенной запрещенной зоны для алмаза составляет около 6 эВ. Как мы уже говорили выше, валентная зона полностью заполнена электронами. Используя концепцию принципа исключения Паули, никакие электроны не будут свободными. Итак, электроны не смогут добраться до зоны проводимости. Следовательно, эти материалы действуют как изоляторы из-за отсутствия электропроводности.

    Полупроводники: В случае полупроводников зона проводимости пуста, а валентная зона полностью заполнена электронами. Как и у изоляторов, в случае полупроводников запрещенный энергетический зазор не так велик. Энергетическая щель очень мала. Эта энергетическая щель составляет почти 1 эВ. Для разных продуктов этот энергетический разрыв различен. Например. Для кремния и германия эта запрещенная зона составляет около 1,1 и 0,72 эВ соответственно.

    Если температура будет равна нулю по Кельвину, то электроны не смогут покрыть этот энергетический зазор в 1 эВ.Ни один электрон не перескочит в зону проводимости. Следовательно, проводимости не будет. Понятно, что в диапазоне температур от нуля Кельвина эти вещества действуют как изоляторы. Но если эти вещества поместить при комнатной температуре, электроны получат некоторое количество тепловой энергии и перейдут в зону проводимости. Когда эти электроны достигают зоны проводимости, они могут свободно перемещаться. Тогда они начнут показывать проводимость при приложении некоторого электрического поля. Другими словами, мы можем сказать, что при комнатной температуре эти вещества будут проявлять некоторую проводимость.

    .

    Различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами (со сравнительной таблицей)

    Проводники, полупроводники и изоляторы можно различить по их проводимости и другим свойствам. Такие проводники, как металлы, демонстрируют проводимость при комнатной температуре, но с повышением температуры их проводимость снижается.

    Однако полупроводники действуют как изоляторы при низких температурах, но при повышении температуры их проводящие свойства также; однако изоляторы не обладают таким влиянием колебаний температуры, поскольку не обладают проводящими свойствами.

    Изоляторы и проводники могут быть твердыми, жидкими или газовыми, и в некоторых исключениях, например, стекло (твердое тело), ​​которое является изолятором, становится проводником при плавлении при более высокой температуре. С другой стороны, полупроводники существуют в твердой форме.

    Жидкости могут быть проводниками или изоляторами, в зависимости от других свойств. Хотя абсолютная чистая вода является изолятором, жидкие металлы электропроводны. Газы также становятся электропроводными при ионизации, хотя обычно они являются изоляторами.

    Электропроводность - это явление передачи чего-то вроде тепла, электричества или звука. Итак, исходя из проводимости любого материала и наличия запрещенной зоны, их (материалы) можно классифицировать как проводники, полупроводники или изоляторы. В статье мы будем различать три термина, касающиеся других пунктов, по которым они различаются.

    Содержание: проводники против полупроводников против изоляторов

    1. Таблица сравнения
    2. Определение
    3. Ключевые отличия
    4. Заключение

    Таблица сравнения

    Основа для сравнения Проводники Полупроводники Изоляторы
    Значение Проводники - это вещества, передающие через них тепло или электричество. Такое вещество или материалы, которые могут действовать как проводники, а также как изоляторы в различных условиях, известны как полупроводники. Изоляторы - это вещества, не пропускающие тепло или электричество через них.
    Электропроводность Высокая. Умеренный. Низкий.
    Запрещенный зазор Запрещенный зазор отсутствует. Малый запрещенный зазор. Большой запрещенный зазор.
    Удельное сопротивление Низкое. Умеренный. Очень высокий.
    Температурный коэффициент Положительный. Отрицательно. Отрицательно.
    Значение электропроводности очень высокое. умеренный. ничтожно мало.
    Проводимость Многочисленные электроны для проводимости. Очень мало электронов для проводимости. Нейтральное число электронов для проводимости.
    Значение удельного сопротивления Менее Между Более
    Прохождение тока Вызвано наличием свободных электронов. Это вызвано свободными электронами и дырками. Это вызвано незначительным присутствием свободных электронов.
    Валентные электроны Во внешней оболочке есть только один валентный электрон. Во внешней оболочке четыре валентных электрона. Во внешней оболочке восемь валентных электронов.
    Перекрытие зон Валентная зона и зона проводимости перекрываются. Валентная зона и зона проводимости разделены энергетической щелью 1,1 эВ. Обе полосы разделены энергетической щелью 6–10 эВ.
    Тип соединения Проводники образованы металлическим соединением. Полупроводники образованы ковалентной связью. Изоляторы образованы ионными связями.
    Примеры Золото, бронза, серебро, ртуть, медь, латунь и т. Д. Кремний, алюминий. Слюда, резина, дерево, бумага и т. Д.

    Определение проводников

    Материалы или вещества, через которые проходит электричество, известны как проводники. Процесс происходит потому, что проводники позволяют электронам переходить от одного атома к другому за счет приложения напряжения. Явление передачи тепла или электричества в любом веществе известно как проводимость.

    Электропроводниками могут быть металлы, неметаллы (проводящий полимер и графит), металлический сплав и электролит. Золото, алюминий, сталь, медь и латунь - типичные примеры, с которыми мы сталкивались в нашей повседневной жизни, и наиболее распространенным является чистое элементное серебро. Как было сказано выше, проводники в основном представляют собой твердые металлы, которые формуются в проводах или врезаются на печатные платы.

    Меркурий - лучший образец в случае жидкостей в качестве проводника. Газы - плохие проводники, но при ионизации они могут стать хорошими проводниками.Таким образом, мы можем сказать, что земля, животные, тело человека и металлы являются проводниками, которые обеспечивают переход тепла и электричества из одной точки в другую.

    Области применения проводников

    • Железо используется в двигателе транспортного средства для отвода тепла.
    • Стальная пластина изготовлена ​​из стали для поглощения большего количества тепла.
    • Алюминий используется в кухонной посуде, которая поглощает и накапливает тепло, и даже используется для упаковки пищевых продуктов.
    • Ртуть используется для измерения температуры тела и термометра.

    Определение полупроводников

    Материалы, символы которых способны вести себя как проводники, а также как изоляторы в различных условиях, известны как полупроводники. Можно также сказать, что такие материалы, проводимость которых лежит между проводниками и изоляторами (непроводниками).

    Полупроводники используются в производстве различных электронных устройств, таких как транзисторы, интегральные схемы и диоды. Эти устройства надежны, дешевы, просты в использовании, мощны и эффективны.Оксиды германия, кремния, теллура, олова и других металлов - несколько примеров полупроводников.

    Применение полупроводников

    Полупроводники используются в силовых устройствах, излучателях света (в том числе твердотельных лазерах), оптических датчиках. Поскольку у них есть возможности управления напряжением и током, и они рассматриваются как будущие элементы в производстве электронных устройств, таких как промышленное оборудование управления, связь с обработкой данных и т. Д.

    Определение изоляторов

    Изоляторы - это вещества, свойства которых отличаются от проводников, так как они не пропускают тепло или электричество через них.Причина, по которой не пропускают тепло или электричество, - это удельное сопротивление вещества, а также у них нет свободных электронов.

    Изоляторы в основном твердые. Стекло, слюда, резина, кварц, дерево, шерсть, пластик - вот некоторые из типичных примеров изоляторов. Одним из значительных преимуществ изоляторов является то, что они действуют как защита от тепла и электричества, а также создают звук.

    Применение изоляторов

    • Резина обычно используется в качестве огнестойкой одежды, шин, тапочек, поскольку они являются хорошими изоляторами.
    • Электрические изоляторы используются в высоковольтных системах, платах электрических цепей, поскольку они (изоляционные материалы) препятствуют прохождению электронов, а также тока через них.
    • Изоляционные материалы также покрывают электрические кабели и провода.
    • Шерстяная одежда и одеяла, используемые зимой для согрева тела.

    Ключевые различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами

    Приведенные ниже пункты выделяют общие, но существенные различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами:

    1. Проводники - это вещество или материал, передающий через них тепло или электричество.Такие элементы или материалы, которые могут действовать как проводники, а также изоляторы в различных условиях, известны как полупроводники, тогда как изоляторы - это вещества или материалы, которые не передают тепло или электричество через них.
    2. Проводники имеют высокую проводимость , полупроводники - среднюю, а изоляторы - низкую (незначительную) проводимость .
    3. Запрещенная щель (щель между валентной зоной и зоной проводимости) не обнаруживается в проводниках, в то время как в полупроводниках имеется небольшая запрещенная зона, а в изоляторах наблюдается большая запрещенная зона.
    4. Удельное сопротивление (свойство сопротивления для измерения электропроводности), которое является низким или незначительным для проводников и очень высоким для изоляторов и умеренным для полупроводников.
    5. Значение проводимости (выше значение проводимости, ниже удельное сопротивление вещества) составляет 10 -7 мГо / м (очень высокое) проводников, тогда как полупроводники имеют значение между 10 -7 mho / m до 10 -13 mho / m , а изоляторы имеют 10 -13 mho / m (незначительно).
    6. Значение удельного сопротивления проводников меньше 10 -5 Ом-м , в то время как полупроводники имеют значение между 10 -5 Ом-м до 10 5 Ом и изоляторы имеют более 10 5 Ом .
    7. В проводниках есть только один валентный электрон во внешней оболочке, хотя есть четыре валентных электрона во внешней оболочке полупроводников и восемь валентных электронов во внешней оболочке изоляторов.
    8. Проводники образованы металлическим скреплением; Полупроводники образованы ковалентной связью; Изоляторы образованы ионными связями.
    9. Золото, бронза, серебро, ртуть, медь, латунь и т. Д. Являются немногими обычно используемыми проводниками, тогда как кремний, алюминий, олово, германий являются полупроводниками; Слюда, резина, дерево, шерсть, бумага и т. Д. - широко используемые изоляторы.

    Заключение

    В этой статье мы обсудили три типа материалов - проводники, полупроводники и изоляторы.Они в основном различаются по электропроводности и другим связанным свойствам. Очень важно знать о них, поскольку эти элементы используются в нашей повседневной жизни, а такие материалы, как сверхпроводники, имеют широкий спектр применения в производстве электронных устройств будущего.

    .

    Смотрите также