Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твёрдого тела. Как известно, изолированный атом характеризуется дискретным спектром энергий, разрешённых для электрона. Твёрдое тело представляет собой совокупность атомов, сильно взаимодействующих благодаря малым межатомным расстояниям. Эта совокупность характеризуется некоторым единым для всего тела энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит не из дискретных уровней, а из дискретных разрешенных зон. То есть для кристалла получается определенная зонная диаграмма, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными. Ширина тех и других не превышает нескольких эВ и не зависит от числа атомов в твердом теле, то есть от его размеров.
Проводимость в твердом теле возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или заполненную не полностью) электронами при 0 К, называют зоной проводимости. Зону, ближайшую разрешенную к зоне проводимости, называют валентной (рис. 8.1).
Рис. 8.1
При нулевой температуре (0 К) она полностью заполнена, и электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Но при температуре выше 0 К некоторые электроны могут преодолеть запрещенную зону и перейти из валентной зоны в зону проводимости. В верхней части валентной зоны образуются свободные уровни (дырки), и эта зона также может обусловить проводимость.
Зонная структура твердого тела при 0 К лежит в основе классификации металлов, полупроводников и диэлектриков. Полупроводники и диэлектрики различаются в основном шириной запрещенной зоны (у диэлектриков она больше). При 0 К зона проводимости у полупроводников и диэлектриков пуста (для электронов), это их качественное отличие от металлов.
