И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Что такое диаграмма энергетических уровней атома?

Это диаграмма (рис. 1.2), представляющая энергетические свойства данного атома, называемая также зонной моделью атома. Для каждого слоя K, L, М… на этой диаграмме указывается численное значение энергии электронов, находящихся в этом слое (зоне).

Энергия выражается в электронвольтах [эВ]. Один электронвольт соответствует работе электрона при преодолении разности потенциалов, равной 1 В. Диаграмма энергетических уровней отражает законы квантовой механика, из которых следует, что каждый энергетический уровень может быть занят определенным числом электронов. Слой К содержит один энергетический уровень, слой L — два находящихся рядом уровня (s — внутренний, требует для заполнения двух электронов, р — внешний — шести электронов), М — три уровня (s, p, d) и т д. Представленная на рис 1.2 диаграмма относится только к одиночному изолированному атому. Если атом находится в близком соседстве с другими атомами, например в твердом теле, то диаграмма энергетических уровней изменяется.

Рис. 1.2. Зонная модель атома

Это тело, в котором атомы или частицы образуют пространственную упорядоченную систему, называемую кристаллической решеткой, и удерживаются в этой системе благодаря силам взаимодействия. С точки зрения электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Такая диаграмма, называемая также зонной моделью твердого тела, принципиально отличается от диаграммы, составленной для изолированного одиночного атома (рис. 1.2), что является следствием взаимодействия между собой атомов, образующих кристаллическую решетку.

Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней в твердом теле

В соответствии с законами квантовой механики, согласно которым число электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, не может быть больше двух, связь атомов в кристаллической решетке и их взаимодействие вызывают расщепление энергетических уровней и возникновение многих новых уровней, расположенных близко одни к другому в пределах данного слоя. При этом энергетические уровни образуют энергетические зоны. В электронике особенно важны две зоны: валентная, называемая также основной, которая образуется при расщеплении валентных уровней отдельных атомов, и зона с более высокими энергетическими уровнями, чем уровни валентной зоны, называемая зоной проводимости (рис. 1.3). Находящиеся в этой зоне электроны могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля.

Это твердое тело (металл), проводящее электрический ток по принципу движения свободных электронов. С ростом температуры проводимость металлов убывает, а при очень низких температурах (близких к 0 К) становится очень большой (сверхпроводимость).

По структуре кристаллической решетки и диаграмме энергетических уровней проводник является телом, в котором зоны проводимости и валентная перекрываются (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Зонная модель проводника

Благодаря этому в кристаллической решетке существует высокая концентрация электронов, образующих так называемый электронный газ, который может свободно перемещаться в объеме металла под воздействием внешнего электрического поля.

Хорошими проводниками электрического тока являются медь, серебро, золото. Медь нашла широкое применение в виде проводников или соединений на печатных платах. Серебро, а особенно золото, из-за высокой стоимости используют значительно реже.

Основным параметром, определяющим проводник, является его электрическое сопротивление, выражающееся отношением падения напряжения на проводнике к протекающему по нему току. Хороший проводник оказывает малое сопротивление протеканию тока.

Электрическое сопротивление — параметр, зависящий от температуры.

Это тело, не проводящее электрический ток. Внутренняя структура диэлектрика (или изолятора) характеризуется полностью заполненной электронами валентной зоной и незаполненной зоной проводимости. Между зонами располагается широкая запрещенная зона (рис. 1.5), так что при нормальных условиях электроны не могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. Из-за отсутствия электронов в зоне проводимости диэлектрик не может проводить ток.

Pиc. 1.5. Зонная модель диэлектрика

Диэлектрики широко применяют в электронике. Они служат основным материалом в производстве конденсаторов (слюда, керамика, стекло, пленка, бумага и различные окислы, например, тантала). Диэлектрики используют в качестве изоляционного материала для покрытия проводов (изоляционная эмаль), изготовления каркасов катушек индуктивности (бакелит, керамика) и трансформаторов.

Свойства диэлектрика характеризуются диэлектрической проницаемостью, потерями, теплостойкостью, гигроскопичностью. Потери являются частотно-зависимым параметром.

Это тело, свойства которого, если речь идет о протекании тока могут подвергаться изменению в зависимости от условий. Протекание тока в полупроводнике может происходить на основе движения отрицательных (электронов) и положительных зарядов. Проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры. При очень низких температурах полупроводники ведут себя, как диэлектрики.

Свойства полупроводника можно проиллюстрировать зонной моделью (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Зонная модель полупроводника

В полупроводнике, как и в диэлектрике, между незаполненной зоной проводимости и полностью заполненной валентной зоной имеется запрещенная зона. Однако она относительно узка (меньше 2 эВ). При определенном, достаточно небольшом энергетическом возбуждении (тепловом или под влиянием электрического поля) некоторые электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости. При этом в валентной зоне появятся вакантные уровни. Атом, у которого электрон перешел в зону проводимости, превращается в положительный нон. Недостающий электрон у такого атома может быть восполнен соседним атомом, который в свою очередь становятся положительным ионом, при этом положительный ион как бы перемещается в объеме валентной зоны. Такой подвижный положительный ион называется дыркой. Электрический ток в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, причем дырочный и электронный токи равны, так как освобождение одного электрона вызывает одновременно возникновение одной дырки. Полупроводник с такими свойствами называется собственным.

На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, имеется определенная симметрия структуры: любой атом полупроводника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Аналогичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось, некоторые электроны могут при комнатной температуре переходить из валентной зоны в зону проводимости.

Рис. 1.7. Плоские модели (а и б) кристаллической решетки собственно полупроводника

Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основном электропроводности, нарушена структура кристаллической решетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвижных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобственном полупроводнике эти токи не равны, поскольку не одинакова концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобственных (примесных) полупроводников: полупроводники типа n и типа р.

В полупроводнике типа n преобладает электронный ток. Нарушения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), примесей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего на внешней оболочке на один валентный электрон больше, чем германий и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один электрон, который может легко перейти в зону проводимости и участвовать в прохождении тока как донорный или неосновной носитель.