Розподіл електронів по енергетичних зонах. Валентна зона і зона провідності. Метали, діелектрики і напівпровідники

Зонна теорія твердих тіл дозволила з єдиної точки зору пояснити існування металів, діелектриків і напівпровідників, пояснюючи відмінності в їх електричних властивостях неоднаковим заповненням електронами дозволених зон і різною шириною заборонених енергетичних зон.

Ступінь заповнення електронами енергетичних рівнів у зоні визначається заповненням відповідного атомного рівня. Якщо, наприклад, якийсь рівень атома пов­ністю заповнений електронами відповідно до принципу Паулі, то утворена з таких рівнів енергетична зона також повністю заповнена.

Найвища зона, яка цілком заповнена електронами при T=0 K, називається валентною зоною.

Зона, яка заповнена електронами частково або вільна при T=0 K, називається зоною провідності.

Залежно від ступеня заповнення енергетичних зон електронами і ширини забороненої зони можливі чотири випадки (рис. 357).

У першому випадку найвища зона, що містить електрони, заповнена лише частково, тобто в ній є вакантні рівні (рис. 357а). У такому разі електрон, отримавши малу енергетичну добавку за рахунок теплового руху або електричного поля, зможе перейти на вищий енергетичний рівень самої зони, тобто стати вільним і брати участь у провідності. Внутрішній перехід можливий, оскільки, наприклад, при Т=1 К енергія теплового руху kT≈ eB, тобто більша від різниці енергій між сусідніми енергетичними рівнями зони . Отже, тіло буде провідником електричного струму. Саме це властиве металам.

Тверде тіло є провідником елек­тричного струму і в тому випадку, коли валентна зона перекривається вільною зоною, що приводить до неповного заповнення зони (рис. 357б). Це має місце для лужно-земельних елементів, що утворюють другу групу періодичної системи Мен­делєєва. У даному випадку утворюється так звана „гібридна” зона, яка заповнюється валентними електронами лише частково.

Можливий також перерозподіл
електронів між зонами, що виникають із рівнів різних атомів, який може привести до того, що в кристалі виявиться одна цілком заповнена (валентна) зона і одна вільна зона (зона провідності). Тверді тіла, у яких енергетичний спектр електронних станів складається лише з валентної зони і зони провідності, є діелектриками або напівпровідниками залежно від ширини забороненої зони .

Якщо ширина забороненої зони кристала порядку декількох електрон-вольт, то тепловий рух не може перевести електрони з валентної зони в зону провідності і кристал є діелектриком, залишаючись ним при всіх реальних температурах. (рис. 357в). Для типових діелектриків ΔE>3eB. Так, для алмазу ΔE≈5,2eB, для нітриду бору , для і т. д.

Якщо заборонена зона досить вузька , перехід електронів з валентної зони в зону провідності може бути здійснений порівняно легко: або тепловим збудженням, або за рахунок зовнішнього джерела, здатного передати електронам енергію (рис. 357г). Такий кристал буде напівпровідником. При температурах, близьких до 0 K, напівпровідники ведуть себе як діелектрики, оскільки переходу електронів у зону провідності не відбувається. Для типових напівпровідників . Так, для германію , для кремнію , для антимоніду індію і т.д.

Іноді речовини поділяють на про­відники, напівпровідники і діелектрики за величиною питомого опору при кімнатній температурі: – провідники; – напівпровідники; – ізолятори.