Министерство сельского хозяйства российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория оптики и физики атома №2 (012)

РАБОТА № 11-а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

КРАСНОГО СВЕТОДИОДА

Составлено: профессор Ульянов А.И.

ассистент Воронцова Е.Н.

Ижевск, 2011

РАБОТА № 11-а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

КРАСНОГО СВЕТОДИОДА

Приборы и принадлежности: 1) спектроскоп УМ-2, 2) ртутная лампа, 3) полупроводниковый светодиод.

Энергетические зоны в кристаллах

Электроны в изолированном атоме имеют дискретные значения энергии, которые определяются квантовыми числами: n, ℓ, m и s. Здесь n - главное, ℓ- орбитальное, m - магнитное и s - спиновое квантовые числа. В электрическом и магнитном полях энергетические уровни электронов расщепляются.

Рис. 1

В твердом теле атомы находятся близко, действуют друг на друга электрическими и магнитными полями, образуя единую квантовую систему, содержащую огромное количество (10²³ моль^-1) атомов и электронов. Теория гласит: если в кристалле N атомов, то каждый уровень энергии, характерный для отдельного атома, расщепляется на N подуровней. Зафиксируем расщепление энергетических уровней на расстоянии d, равном межатомным расстояниям в кристалле. Рассмотрим расщепление энергетических уровней только внешнего, валентного электрона, находящегося в основном и возбужденном состояниях (рис. 1). Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон, называется валентной зоной.

Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон в возбуждённом состоянии, когда к нему подведут энергию, называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона, в которой электрон находиться не может. Ширина запрещённой зоны E_g составляет для разных материалов E_g = (0  10) эВ, для полупроводников E_g ≈ (0,11) эВ. Соседние энергетические уровни в валентной зоне и зоне проводимости находятся на очень малых расстояниях друг от друга ∆Е = 10^-22 эВ. На каждом энергетическом уровне валентной зоны в соответствие с принципом Паули может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами (рис. 2а).

Собственные полупроводники

E_g ≈1 эВ

Рис. 2

а)

В полупроводниках валентная зона заполнена электронами полностью (рис. 2а). Однако энергии теплового движения даже при комнатной температуре (300 К) достаточно для переброса части электронов из валентной зоны

через запрещенную зону в зону проводимости (пунктирная стрелка на рис. 2б). В результате в зоне проводимости появляется небольшое число электронов (1), которые под действием даже небольшого внешнего электрического поля могут изменять свою энергию, переходя на соседний уровень, то есть могут двигаться и проводить электрический ток. Кроме того, переход электрона в зону проводимости означает образование пустого места в валентной зоне (2), которое называют дыркой. Наличие дырки также приводит к проводимости, так как теперь валентный электрон (3) под действием электрического поля может "приподняться" и занять место дырки, а дырка переместится вниз. Таким образом, дырка в электрическом поле движется в сторону, противоположную движению электрона, т.е. ведёт себя как положительный заряд. Полупроводники, в которых носителями тока являются электроны и дырки, называют собственными полупроводниками. Их зонная структура приведена на рис. 2.