Что такое запрещенная зона в полупроводниках и как она связана с их электрическими свойствами?

Запрещённая зона в полупроводниках — это диапазон энергий, в котором отсутствуют разрешённые энергетические состояния для электронов. Это означает, что электроны не могут находиться в этой зоне, а валентные электроны занимают энергетические уровни валентной зоны, а проводимость обеспечивается электронами, расположенными в зоне проводимости.

Запрещённая зона играет важную роль в электрических свойствах полупроводников. В чистом полупроводнике, запрещённая зона разделяет валентную зону и зону проводимости. Однако, при добавлении примесей (процесс, известный как легирование), состояния в запрещенной зоне могут быть созданы, что приводит к появлению свободных носителей заряда (электронов или дырок) и увеличению проводимости полупроводника.

Существует два типа полупроводников: N-тип (отрицательный) и P-тип (положительный), которые отличаются типом примесей, добавленных в материал. В N-типе доминируют свободные электроны, созданные добавлением примеси с избыточными электронами (например, фосфор), в то время как в P-типе доминируют дырки, созданные добавлением примеси с недостатком электронов (например, бор).

В полупроводниках, при соединении N-типа и P-типа, образуется p-n-переход, где электроны из зоны проводимости N-типа рекомбинируют с дырками из валентной зоны P-типа, образуя зону без свободных носителей заряда вблизи перехода. Это создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей рекомбинации и обеспечивает одно из основных свойств полупроводников — управляемую проводимость.

Таким образом, запрещённая зона в полупроводниках играет важную роль в их электрических свойствах, определяя проводимость и возможность управления током в полупроводниковых устройствах, таких как диоды и транзисторы.