Зонная теория твердого тела кратко

Обновлено: 20.05.2024

Электрические свойства твердого тела зависят от того, как электроны составляющих его атомов распределяются по орбитальным уровням при его кристаллизации.

Как мы знаем из модели атома Бора, электроны в атоме расположены на различных орбитальных уровнях, характеризующихся различной удаленностью от ядра и, соответственно, различной энергией связи электрона с ядром. При образовании кристаллической решетки твердого тела орбиты электронов несколько деформируются, и, соответственно, смещаются энергетические уровни удержания электронов на них. Это смещение можно представить себе двояко. С одной стороны, можно заметить, что в твердом теле электрон не может не подвергаться электрическому воздействию со стороны соседних атомов — он притягивается к их ядрам и отталкивается их электронами. С другой стороны, два электрона, в силу принципа запрета Паули, не могут находиться на одной орбите в одном и том же энергетическом состоянии, то есть два любых электрона в любом случае находятся на несколько отличающихся друг от друга энергетических уровнях.

В любом случае, можно понять, что при образовании твердого тела в смысле кристаллизации атомов в жесткую структуру каждый энергетический электронный уровень в атомах расщепляется на ряд близких подуровней, объединенных в энергетическую полосу или зону. Все электроны, находящиеся в данной энергетической полосе, обладают очень близкими энергиями. На близких к ядру орбитах электроны находятся в связанном состоянии: они неспособны оторваться от ядра, поскольку, хотя теоретически перескок электрона из одного атома в другой — на ту же по энергии орбиту — возможен, все нижние орбиты соседних атомов заняты, и реальная миграция электронов между ними невозможна.

Многозонную теорию строения твердого тела можно использовать для объяснения электропроводности вещества. Если валентная зона твердого тела заполнена, а до следующей незаполненной энергетической зоны далеко, вероятность того, что электрон на нее перейдет, близка к нулю. Значит, электроны прочно привязаны к атомам и практически не образуют проводящего слоя. Соответственно, и под воздействием электрической разности потенциалов с места они не двигаются, и мы имеем изолятор — вещество, не проводящее электрический ток.

Проводник, с другой стороны, как раз представляет собой вещество с частично заполненной зоной валентных электронов, внутри которой электроны имеют значительную свободу перемещения от атома к атому. Наконец, полупроводники — это кристаллические вещества с заполненной валентной зоной, и в этом они подобны изоляторам, однако разность энергий между валентным уровнем и следующим, проводящим энергетическим уровнем у них настолько незначительна, что электроны преодолевают ее при обычных температурах чисто в силу теплового движения.

Основываясь лишь на модели электронного газа невозможно объяснить тот факт, что одни вещества представляют собой проводники, вторые полупроводники, а третьи изоляторы. Стоит принимать во внимание взаимодействие между атомами и электронами. Предположим, что кристаллическая решетка металла или полупроводника сформирована как результат сближения атомов. Связь с атомными ядрами валентных электронов атомов металлов проявляет себя гораздо слабее, чем связь с подобными электронами полупроводников. При условии сближения атомов электроны приходят во взаимодействие. В результате валентные электроны разрывают свою связь с атомами металла, что делает их свободными, обладающими возможностью перемещаться по всему металлу.

В полупроводниках, по причине существенно более сильной связи электронов с ядрами атомов, для того, чтобы разорвать связь валентного электрона нужно сообщить ему так называемую энергию ионизации.

Для разных полупроводников величина энергии ионизации может колебаться от 0 , 1 до 2 э В , в то же время средняя кинетическая энергия теплового движения атома близка к 0 , 04 э В . Количество атомов, энергия которых выше или эквивалентна энергии ионизации, относительно невелико. Соответственно, свободных электронов в полупроводниках не много. С увеличением температуры, число атомов с энергией ионизации повышается, а это значит, что растет и электрическая проводимость полупроводника.

За процессом ионизации всегда идет сопровождение в виде обратного процесса, а именно рекомбинация. В условиях состояния равновесия среднее число актов ионизации эквивалентно количеству актов рекомбинации.

Понятие о зонной теории

Квантовая теория электропроводности твердых тел основывается на так называемой зонной теории твердых тел, которая заключается в изучении энергетического спектра электронов.

Данный спектр подразделяется на разделенные запрещенными промежутками зоны. В случае, если в верхней зоне, где определяется присутствие электронов, они не заполняют каждое из квантовых состояний (в пределах зоны может быть проведено перераспределение энергии и импульса), то данное вещество представляет собой проводник. Подобная зона носит название зоны проводимости, вещество — проводника электрического тока, тип проводимости такого вещества является электронным.

Если в зоне проводимости находится большое количество электронов и свободных квантовых состояний, то значение электропроводности велико. Электроны в условиях зоны проводимости при прохождении электрического тока определяются как носители заряда. Процесс движения подобных электронов может быть описан с помощью законов квантовой механики. Если проводить сравнение с общим количеством электронов, то число таких электронов может считаться малым.

Энергетические уровни

Энергетические уровни валентного электрона в одном изолированном атоме могут быть представлены таким образом, как это проиллюстрировано на рисунке 1 . Снизу вверх по вертикали на рисунке 1 откладываются: величины полной энергии электрона, а также отмечаются минимальная энергия электронов проводимости E c с наибольшим значением энергии связанных электронов E v . Вероятные значения энергий электронов заполняют собой некоторую область или же так называемую зону энергии W ≥ E c . Такая зона представляет собой зону проводимости. Энергии электронов связи формируют другую зону с W ≤ E v . Приведенная зона носит название зоны валентных электронов или, другими словами, валентной зоны. Данные зоны разделены энергетическим промежутком с шириной, определяемой с помощью следующего выражения: E g = E c − E v .

Такой энергетический промежуток представляет собой зону запрещенных энергий. В условиях отсутствующих примесных атомов, а также дефектов решетки, стационарные движения электронов с энергией внутри запрещенной зоны не представляются возможными.

Процесс разрыва химической связи, который провоцирует возникновение электрона проводимости и положительной дырки, носит название электронного перехода.

Валентная зона — зона проводимости (смотрите рисунок 1 цифра 1 ).

Обратный процесс определяется как рекомбинация электрона проводимости и положительной дырки (электронный переход 2 , рисунок 1 ). В условиях существования атомов примеси вероятно возникновение дискретных разрешенных уровней энергии как ,например, уровень E d , проиллюстрированный на рисунке 1 . Данные уровни могут существовать не во всем объеме кристалла, а лишь в местах нахождения атомов примеси (такие уровни определяются как локальные). Каждый из локальных уровней производит энергию электрона, в случае его нахождения на примесном атоме. Локальные электронные уровни дают возможность дополнительных электронных переходов. Как пример, ионизация донора с образованием электрона проводимости проиллюстрирована на рисунке 1 в виде электронного перехода 3 . Роль обратного ему процесса захвата электрона на атом донора играет электронный переход 4 из зоны проводимости на незаполненный уровень донора.

Образование энергетических зон

Из решения задачи о движении электрона в поле периодического потенциала можно сделать вывод, что имеет место система зон разрешённых энергий (рисунок 2 ). Каждая из зон ограничивается снизу некоторой энергией W m i n или, другими словами, дном зоны, а сверху так называемым потолком зоны W m a x . Данные зоны разделены полосами запрещенных энергий. Ширина разрешенных зон в условиях увеличения энергии возрастает. Возможно перекрытие друг друга широкими зонами, такое явление провоцирует образование единой сложной зоны. Предположим, что существует N изолированных атомов, которые никоим образом не взаимодействуют. В каждом из таких атомов энергия электронов может претерпевать изменения только в виде скачка, таким образом, она характеризуется совокупностью резких, дискретных уровней энергии. В данной системе невзаимодействующих атомов роль каждого атомного энергетического уровня играет N совпадающих уровней энергии. Сократим расстояние между атомами до формирования кристаллической решетки. Атомы начинают взаимодействовать друг с другом, а уровни энергии изменяются. Ранее совпадающие N уровней энергии начинают разниться. Подобная система несовпадающих уровней энергии носит название разрешенной зоны энергий.

Выходит, что энергетические зоны возникают в качестве результата расщепления дискретных уровней энергии электрона в атомах, вызванного действием атомов решетки. Количество энергетических уровней в каждой из зон крайне большое (порядка числа атомов в кристалле), энергетические уровни расположены довольно близко. Таким образом, в некоторых случаях можно принять, что внутри зон энергия электрона претерпевает непрерывные изменения (как это происходит в классической теории). Однако тот факт, что количество уровней конечно, имеет принципиальное значение. Совокупность энергетических уровней, на которые расщепляется кратный уровень, представляет собой так называемую энергетическую зону или, другими словами, зону кристалла. Зона,возникающая как результат расщепления N -кратного вырожденного основного уровня, носит название основной зоны, все остальные зоны определяются как зоны возбуждения.

Энергетические зоны не могут быть отождествлены с пространственными зонами, областями пространства, в которых находится электрон.

В рамках зонной теории принимается тот факт, что электрон движется в постоянном электрическом поле, которое формируется ионами и остальными электронами. Ионы обладают сравнительно большими массами и считаются неподвижными. Электроны учитываются суммарно. Они определяются в виде отрицательно заряженной жидкости, которая заполняет пустующее пространство между ионами. В подобной модели роль электронов заключается в компенсации заряда ионов. Электрическое поле модели периодично в пространстве, место периодов занимают пространственные периоды решетки. Задание сводится к задаче о движении одного электрона в постоянном периодическом поле. Решение данной задачи в квантовой механике приводит к зонной структуре энергетических уровней.

Дайте описание зонных структур металлов, диэлектриков и полупроводников.

Решение

Электрические свойства тел зависимы от ширины запрещенной энергетической зоны и различий в заполнении разрешенных зон. Существование в разрешенной зоне свободных энергетических уровней является необходимым условием возникновения проводимости. На данный уровень поле сторонних сил может перенести электрон. Зону, которая является пустой или же заполнена лишь частично определяется как зона проводимости. В свою очередь, зона, заполненная электронами полностью, носит название валентной. Металлы, диэлектрики и полупроводники отличаются в области степени заполнения валентной зоны электронами, а также шириной запретной зоны. У металлов зона проводимости является частично заполненной и обладает свободными верхними уровнями. При условии T = 0 валентные электроны попарно заполняют нижние уровни валентной зоны. Локализованным на верхних уровнях электронам для того, чтобы перевести их на более высокие уровни достаточно подвести энергию 10 - 23 - 10 - 22 э В . У диэлектриков первая, являющаяся незаполненной зона, отделена от целиком заполненной нижней зоны с помощью широкой запрещенной зоны. Чтобы перевести электрон в свободную зону необходимо сообщить энергию большую или же эквивалентную ширине запретной зоны. Ширина запрещенной зоны диэлектриков является равной нескольким электрон вольтам. Тепловое движение не имеет возможности перевести в свободную зону большое количество электронов. У кристаллических полупроводников ширина запрещенной зоны между полностью заполненной валентной зоной и первой незаполненной зоной довольно мала. Если ширина запретной зоны эквивалентна нескольким десятым э В , энергии теплового движения хватает для того, чтобы перевести электроны в свободную зону проводимости. При этом вероятен переход электрона внутри валентной зоны на освободившиеся уровни.

Перечислите основные предположения зонной теории.

Решение

В качестве основных предположений зонной теории можно привести следующие:

Зонная теория твёрдого тела представляет собой квантово-механическую теорию движения электронов в твёрдом теле. В ее основе лежат следующие допущения:

твердое тело представляет собой идеальный периодический кристалл, в узлах решетки которого размещаются атомные ядра;
равновесные положения узлов кристаллической решетки фиксированы, то есть ядра атомов, ввиду их большой массы, рассматриваются как неподвижные источники электрического поля, действующего на электроны;
взаимодействие электронов друг с другом заменяется эффективным внешним полем.

Таким образом, система электронов, взаимодействующих с атомными ядрами и друг с другом по закону Кулона, заменяется системой независимых электронов, движущихся в некотором заданном эффективном поле.

В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию – их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетические состояния электронов определяются как их взаимодействием с ядром своего атома, так и электрическим полем кристаллической решетки, т.е. взаимодействием с другими атомами. Вид этого поля соответствует виду потенциального барьера. Соответственно электроны находятся в потенциальном поле, называемом потенциальной ямой (рисунок 1.17). Поэтому энергетический спектр электронов в твердом теле состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.

Рисунок 1.17 – Потенциальная энергия электронов в одномерной кристаллической решетке

В макроскопическом кристалле с числом атомов более 10 20 энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов – энергетических зон, называемых зонами Бриллюэна (рисунок 1.18). При этом ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих его, и симметрией кристаллической решетки.

Рисунок 1.18 – Энергетические диаграммы отдельного атома и кристалла

Наивысшая из разрешённых энергетических зон, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней (т.е. низшая свободная зона) – зоной проводимости.

Понятия разрешенных и запрещенных энергетических зон являются базовыми для зонной теории твердого тела, которая на сегодняшний день наиболее адекватно объясняет различные физические явления, происходящие в кристаллических телах в электромагнитном поле. Фактически зонная теория объясняет последствия движения валентных электронов в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки: при сближении атомов происходит перекрытие (частичное или полное) электронных оболочек, в результате чего характер движения электронов меняется. Она позволяет понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному (рисунок 1.19):

у проводников зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости; следовательно, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток;
у полупроводников зоны не перекрываются; расстояние между ними составляет примерно 0,01 – 3 эВ. Для того чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется дополнительная энергия, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток;
у диэлектриков зоны также не перекрываются, но расстояние между ними составляет более 3 эВ (у реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать 10 эВ). Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Рисунок 1.19 – Расположение энергетических зон для различных материалов

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от их способности проводить электрический ток, а различия в электрических свойствах связаны с различной реакцией электронов заполненной и незаполненной зон на внешнее электрическое поле. Действие этого поля на скорость электронов зависит от направления движения последних – если электроны движутся в направлении поля, оно замедляет их, а если навстречу – ускоряет. Изменение скорости приводит к изменению энергии электронов, т.е. их переходом на другие энергетические уровни. А это возможно только в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни.

Наличие большого числа свободных уровней в металлах обуславливает их высокую электропроводность – даже слабое внешнее поле сообщает электронам энергию, достаточную для перехода на ближайший свободный уровень.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0 К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости полностью свободна. Так как электроны полностью заполненной зоны не могут участвовать в создании электрического тока, необходимо сообщить им дополнительную энергию, за счет которой часть из них перейдет в зону проводимости. Именно поэтому, как уже отмечалось, проводимость полупроводников носит активированный характер, т.е. подразумевает дополнительное внешнее энергетическое воздействие, помимо электрического поля (например, нагрев, освещение и т.д.).

Некоторое количество электронов может переходить в зону проводимости при нормальной температуре без какого-либо внешнего воздействия, только за счет тепловых флуктуаций. Это связано с неравномерным распределением тепловой энергии между частицами. Хотя среднее значение тепловой энергии при нормальной температуре составляет примерно 0,04 эВ, т.е. значительно меньше запрещенной зоны, всегда имеется некоторое количество атомов, у которых энергия тепловых колебаний значительно превышает среднее значение; при передаче этой избыточной тепловой энергии электронам некоторые из них преодолевают запрещенную зону и попадают в зону проводимости. Это явление имеет место в полупроводниках. В диэлектриках ширина запрещенной зоны слишком велика для таких спонтанных переходов.

Одновременно с переходом электронов в зону проводимости происходит их возвращение в валентную зону, т.е. для любой температуры существует состояние динамического равновесия. Это приводит к тому, что изменение температуры вызывает качественное изменение материала – например, будучи при температуре 0 К диэлектриком, при повышении температуры он приобретает некоторую проводимость, т.е. становится полупроводником.

При описании процессов перехода электрона на другие энергетические уровни широко используется понятие его эффективной массы m_n * . Эта величина является условной и учитывает достаточно сложный характер взаимодействия электрона с кристаллической решеткой при его движении во внешнем электрическом поле.

Энергетические зоны обладают следующими свойствами:

расщеплению в зону подвержены как нормальные (стационарные), так и возбужденные энергетические уровни;
количество уровней в зоне определяется числом атомов в кристалле;
ширина энергетических зон, как разрешенных, так и запрещенных, не зависит от размеров кристалла и определяется природой атомов, образующих материал, и симметрией кристаллической решетки;
при перемещении вверх по энергетической шкале ширина разрешенных зон возрастает, а запрещенных – уменьшается;
ширина запрещенной зоны зависит от температуры, т.к. при ее изменении меняются, во-первых, амплитуда тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, а во-вторых, междуатомные расстояния, т.е. объем тела. Поэтому при увеличении температуры разрешенные зоны расширяются, а запрещенные – сужаются;
примеси и точечные дефекты структуры, присущие любому реальному кристаллу, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла.

Зонная теория позволяет сделать следующие выводы.

Электрические свойства любого вещества определяются взаимным расположением валентной зоны и зоны проводимости, т.е. условиями взаимодействия и расстояния между его атомами и не являются особенностью данного атома (один и тот же элемент – углерод – в форме графита является проводником, а в форме алмаза – диэлектриком).

Энергия возбуждения носителей заряда (энергия активации электропроводности), необходимая для преодоления запрещенной зоны, равна нулю у металлов и монотонно возрастает в ряду полупроводников, переходящих по мере этого возрастания в ряд диэлектриков. Крайними членами этого ряда являются металлы высокой проводимости и хорошо изолирующие диэлектрики.

Принципиальным является деление материалов на обладающие электропроводимостью при температуре 0 К (проводники) и не обладающие таковой (полупроводники и диэлектрики). Деление же на полупроводники и диэлектрики является скорее условным, т.к. при температурах, близких к абсолютному нулю, разницы между ними практически нет.

Таким образом, зонная теория позволяет достаточно адекватно объяснить поведение в электрическом поле твердых тел с металлическими и ковалентными связями.

зонная теория (англ. energy band theory или band theory) — один из основных разделов квантовой теории твердого тела, описывающий движение электронов в кристаллах, и являющийся основой современной теории металлов, полупроводников и диэлектриков.

Описание

Энергетический спектр электронов в твердом теле существенно отличается от энергетического спектра свободных электронов (являющегося непрерывным) или спектра электронов, принадлежащих отдельным изолированным атомам (дискретного с определенным набором доступных уровней) — он состоит из отдельных разрешенных энергетических зон, разделенных зонами запрещенных энергий.

Согласно квантово-механическим постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (электрон находится на одной из орбиталей). В случае же системы нескольких атомов, объединенных химической связью, электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического уровня, количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой — энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон.

Наивысшая из разрешенных энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней — зоной проводимости. В проводниках зоной проводимости называется наивысшая разрешенная зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К. Именно по принципу взаимного расположения этих зон все твердые вещества и делят на три большие группы (см. рис.):

проводники — материалы, у которых зона проводимости и валентная зона перекрываются (нет энергетического зазора), образуя одну зону, называемую зоной проводимости (таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию);
диэлектрики — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят);
полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).

Зонная теория является основой современной теории твердых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещенной зоны (энергетическая щель между зонами валентности и проводимости) является ключевой величиной в зонной теории и определяет оптические и электрические свойства материала. Например, в полупроводниках проводимость можно увеличить, создав разрешенный энергетический уровень в запрещенной зоне путем легирования — добавления в состав исходного основного материала примесей для изменения его физических и химических свойств. В этом случае говорят, что полупроводник примесный. Именно таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы, диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и др. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), а обратный переход — процессом рекомбинации.

Зонная теория имеет границы применимости, которые исходят из трех основных предположений: а) потенциал кристаллической решетки строго периодичен; б) взаимодействие между свободными электронами может быть сведено к одноэлектронному самосогласованному потенциалу (а оставшаяся часть рассмотрена методом теории возмущений); в) взаимодействие с фононами слабое (и может быть рассмотрено по теории возмущений).

Зонная теория твердого тела представляет собой удобную модель, которая позволяет наглядно объяснить ряд электрических явлений и, в первую очередь, электропроводность электротехнических материалов. Первоначально она была разработана для кристаллических твердых тел, однако в последние годы ее представления стали распростронять и на аморфные (стеклообразные) вещества, включая полимеры.

Суть зонной теории заключается в следующем. Изучение спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии показало наличие определенных энергетических состояний для атомов каждого элемента. В зависимости от энергетического состояния атома его электроны находятся на тех или иных энергетических уровнях (орбиталях). Энергетические уровни дискретны и разделены интервалами запрещенных значений энергий. Если отдельный свободный атом (рис. 1.10, а) находится в нормальном (невозбужденном) состоянии, то его электроны расположены на минимальном энергетическом уровне (1).

При поглощении атомом энергии его электрон (или электроны) переходит(ят) на более высокий энергетический уровень (2) (рис. 1.10, б). Такое состояние атома неустойчивое, и через короткий промежуток времени (у газа 10 – 8 с) электрон возвращается на свой прежний энергетический уровень, а атом при этом излучит избыточную энергию. Чем дальше находится электрон от атомного ядра, тем выше его энергетический уровень.

В нормальном невозбужденном состоянии атома часть уровней заполнена электронами, находящимися в устойчивом состоянии. При возбуждении атома внешними энергетическими воздействиями часть электронов переходит на более высокие уровни.

Если же вещество находится в конденсированном агрегатном состоянии, т.е. в жидком или, тем более, в твердом состоянии, происходит взаимодействие атомов. Электронные уровни при этом смещаются, и вместо отдельных уровней образуются зоны энергетических уровней (рис.1.10, в – д).

1.10. Энергетические уровни

При соединении многих атомов в твердое тело вследствие воздействия атомов друг на друга электронные уровни каждого атома несколько смещаются и из отдельных энергетических уровней уединенных атомов образуется целая полоса – зона энергетических уровней: 1 – зона, заполненная электронами; 2 – запрещенная зона; 3 – свободная зона (рис. 1.10, б).

В проводнике зоны 1, 3 примыкают друг к другу, что обеспечивает беспрепятственный переход электронов в свободную зону 3 и большую электронную проводимость вещества. В диэлектрике между зонами 1, 3 лежит большой энергетический барьер, который (за исключением особых условий) исключает возможность перехода электронов в свободную зону. В полупроводнике также имеется энергетический барьер, но небольшой величины, поэтому всегда существуют условия для того, чтобы часть электронов попала в свободную зону.

Внешние (валентные) электроны атома на уровнях заполненной (валентной) зоны 1 не являются свободными и не могут принимать участия в процессе переноса зарядов и создания электрического тока в веществе. Они могут стать свободными и принять участие в электропроводности, перейдя через запрещенную зону 2 и попав в свободную зону 3 только в случае получения ими извне некоторой порции энергии ΔW.

В обычных условиях проводимость веществ, имеющих большое значение ΔW мала. Эти вещества получили названия диэлектриков у них ΔW > 3 эВ. У полупроводников ΔW Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Читайте также: