Валентная зона и зона проводимости

Общие представления о зонной структуре

В кристаллическом твердом теле электроны находятся в периодическом потенциальном поле атомов решётки. Из-за принципа Паули каждый электрон занимает строго определённое квантовое состояние, а допустимые энергетические уровни образуют зоны, разделённые запрещёнными областями. Две наиболее важные области – валентная зона и зона проводимости – определяют электрические и оптические свойства полупроводников.

Валентная зона

Валентная зона – это область энергий, в которой находятся электроны, участвующие в образовании химических связей между атомами.

В полупроводниках валентная зона при низких температурах полностью заполнена электронами.
Электроны в валентной зоне прочно связаны с атомами, и их подвижность ограничена: при полном заполнении зоны электрический ток не течёт, так как отсутствуют свободные состояния для движения электронов.
Верхняя граница валентной зоны – это энергия, при достижении которой электрон может перейти в зону проводимости, преодолев запрещённую зону (энергетическую щель).

Особенности валентной зоны:

Формируется из перекрытия внешних (валентных) орбиталей атомов.
Играет ключевую роль в тепловом возбуждении электронов.
Содержит квазичастицы – дырки, возникающие при переходе электрона в зону проводимости.

Зона проводимости

Зона проводимости – это энергетическая область, в которой могут находиться электроны, обладающие высокой подвижностью и способные участвовать в электрическом токе.

При комнатной температуре часть электронов может получить энергию, достаточную для преодоления запрещённой зоны и перехода из валентной зоны в зону проводимости.
В зоне проводимости электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а движутся в кристалле как квазисвободные частицы.
Нижняя граница зоны проводимости характеризуется энергией, соответствующей минимуму эффективной массы электрона.

Основные свойства зоны проводимости:

Содержит подвижные носители заряда (электроны).
Энергетические состояния вблизи дна зоны могут быть описаны приближением эффективной массы.
Заполнение зоны зависит от температуры и примесной концентрации.

Энергетическая щель (запрещённая зона)

Пространство между верхней границей валентной зоны и нижней границей зоны проводимости называется запрещённой зоной или энергетической щелью (Eg).

В полупроводниках Eg обычно составляет 0,1–3 эВ.
В диэлектриках щель значительно шире, что делает переход электронов в зону проводимости маловероятным.
В металлах валентная зона и зона проводимости перекрываются, из-за чего ток может течь без дополнительной активации.

Виды энергетической щели:

Прямая щель – минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся при одном и том же значении квазиимпульса. Такие полупроводники (например, GaAs) эффективно излучают свет при рекомбинации.
Непрямая щель – минимум и максимум зон не совпадают по квазиимпульсу (например, кремний), из-за чего вероятность прямой оптической рекомбинации значительно ниже.

Роль температуры и примесей

Положение и заполнение валентной зоны и зоны проводимости существенно зависят от внешних факторов:

Температура: при её росте увеличивается концентрация термически возбуждённых электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.
Примеси: донорные примеси создают энергетические уровни, близкие к зоне проводимости, облегчая переход электронов в неё; акцепторные примеси создают уровни, близкие к валентной зоне, облегчая появление дырок.

Квазичастицы: электроны и дырки

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости остаётся свободное состояние – дырка. Она ведёт себя как положительно заряженный носитель. Таким образом, в полупроводнике электрический ток может переноситься:

электронами в зоне проводимости,
дырками в валентной зоне.

Обе группы носителей обладают различными эффективными массами и подвижностью, что отражается на транспортных свойствах материала.

Влияние зонной структуры на свойства полупроводников

Характеристики валентной зоны и зоны проводимости определяют:

величину собственной проводимости;
спектр поглощения и излучения;
эффективность фотонных и электронных процессов;
возможности использования материала в диодах, транзисторах, лазерах, солнечных батареях.