Banda interzisă este intervalul de energie care separă banda de valență și banda de conducție. Lățimea decalajului de bandă determină proprietățile fizico-chimice ale materialelor de inginerie electronică. Scopul acestei lucrări este de a determina lățimea benzii interzise a unui semiconductor prin măsurarea dependenței de temperatură a curenților inversi ai joncțiunii pn.
2. Spectrul de energie al electronilor într-un cristal.
Fiecare electron care face parte din atom are o anumită energie totală și ocupă un nivel corespunzător al energiei pe diagrama de bandă. Într-un solid, datorită interacțiunii atomilor, nivelurile de energie sunt împărțite în benzile de energie. Acestea constau în nivele de energie separate, foarte apropiate, numărul cărora corespunde numărului de atomi omogeni într-un cristal dat (figura 2.1).
E este lățimea decalajului benzii.
Fig.2.1 Zone de energie într-un semiconductor.
Zona energetică sau un set de mai multe benzi de energie suprapuse care se formează ca urmare a împărțirii unuia sau mai multor niveluri de energie ale unui atom individual se numește o bandă permisă. Electronii dintr-un solid pot avea energii corespunzătoare zonei conduse. Nivelurile energetice ale electronilor de valență în divizare formează o bandă de valență. Nivelurile de energie rezolvate, fără electroni în starea incompletă a atomului, care se despart, formează una sau mai multe zone libere. Cel mai mic dintre zonele libere se numește banda de conducere. Interesul deosebit este reprezentat de banda de valență și de banda de conducție, deoarece proprietățile electrice, optice și altele ale solidelor depind de aranjamentul reciproc și de gradul de umplere a acestora de către electroni. Prin natura zonelor de umplere, toate cristalele sunt împărțite în două clase. Primul include materiale în care o zonă parțial umplută este situată deasupra zonei complet umplută (figura 2.2).
Fig.2.2 Formarea unei zone parțial umplute.
Electronii unei zone pline parțial sub influența unui câmp electric extern își pot mări energia, trecând la niveluri mai ridicate. Aceasta înseamnă că într-un cristal cu o astfel de structură de bandă, chiar și în prezența unui câmp electric slab în absența altor efecte energetice (lumină, creșterea temperaturii etc.), este posibilă mișcarea direcțională a electronilor, adică fluxul de curent electric. Astfel, cristalele care au o bandă permisă parțial umplută aparțin conductorilor.
Cealaltă clasă include materiale care au zone goale goale deasupra zonelor complet umplut la o temperatură zero absolută (figura 2.3).
Fig.2.3 Diagrama zonală a unui semiconductor.
O astfel de structură a zonelor este, de exemplu, elementele din grupa IV - carbon în modificarea diamantului, siliciului, germaniului, staniu gri și, de asemenea, mulți compuși chimici - oxizi de metal, nitruri, carburi etc. Într-o bandă de valență complet umplută, electronii nu pot schimba starea lor sub acțiunea câmpului electric aplicat, adică nu pot participa la formarea curentului. Nu contribuie la conductivitatea electrică și la o bandă de conducție complet liberă.
Cu toate acestea, dacă lărgimea banda interzisă este mică, atunci când crește temperatura, electronii de valență pot trece la banda de conducere. Numărul acestor electroni crește exponențial cu creșterea temperaturii. Trebuie remarcat faptul că, odată cu tranziția electronilor la banda de conducție, nivelele vacante apar în banda de valență. Aceasta înseamnă că pentru electronii de valență, este de asemenea posibilă schimbarea energiei sale, adică să participe la formarea curentului. Astfel, în cristale cu un decalaj de bandă îngustă, ele sunt semiconductoare. La temperatura camerei, diferența de bandă de E pentru siliciu este de 1,12 eV; în germaniu, E = 0,72 eV; în arsenid de galiu E = 1,43 eV; carbura de siliciu 2,4 - 3,4 eV (pentru politipuri diferite).
Dacă banda interzisă este suficient de largă, atunci tranziția electronilor de valență la banda de conducere este puțin probabilă. Astfel de solide sunt dielectrice. Astfel, dielectricul diferă de semiconductori numai de lățimea benzii interzise. Condițional, dielectricii includ substanțe cu EE <3 эВ. а к полупроводникам - Е <3 эВ .
Lățimea decalajului benzii variază în funcție de temperatură. Acest lucru se întâmplă ca rezultat:
- modificări ale amplitudinii vibrațiilor termice ale atomilor din rețeaua de cristal;
- modificări ale distanțelor interatomice, adică volumul corpului.
În cazul creșterii temperaturii în primul caz, lățimea benzii interzise scade, în al doilea caz se poate scădea și crește, în funcție de structura benzii. În majoritatea semiconductorilor, lățimea benzii interzise scade odată cu creșterea temperaturii.