Энергетические зоны твердого тела

 

Согласно квантово-механическому представлению, электроны изолированного атома обладают определенными, квантованными значениями энергии, образуя различные уровни и подуровни 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, и т. д. (рисунок 27.).

Взаимодействие атомов, их электромагнитных полей в твердом теле (кристалле) приводит к тому, что вместо отдельных уровней и подуровней образуются энергетические зоны – уровни и подуровни расщепляются (группируются) в зоны (рисунок 27, левая часть). Количество уровней в каждой зоне настолько велико, что энергетический спектр в ней можно считать непрерывным.

Так как энергия электронов квантована, то есть они не могут иметь любые, а могут иметь только определенные, значения энергии, то в твердом теле могут образоваться так называемые запрещенные зоны. Запрещенная зона – интервал энергии, которым не могут обладать электроны.

Большинство свойств материалов, включая и электрические, зависят лишь от тех электронов, которые находятся во внешней зоне, происшедшей от валентных электронов, и называемой потому валентной зоной.

У металлов валентная зона заполнена не полностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия возбуждения, необходимая для такого перемещения, мала, так как незанятые подуровни непосредственно примыкают к заполненным, а зоны запрещенных энергии при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают (рисунок 27). Поэтому металлы обладают высокой электропроводностью. Расположение энергетических зон в твердом теле показано на рисунке 28.

В отличие от металлов, в кристаллах неметаллов (ковалентных, молекулярных) валентные зоны полностью заполнены электронами до устойчивого состоя-ния и отделены от зоны проводимости, в которой есть свободные подуровни, ши-

рокой зоной запрещенных энергий (рисунок 28б,в). При возбуждение электронов, например, при повышении температуры, или по другим причинам, их энергия повышается. В некоторых кристаллах часть возбужденных валентных электронов, преодолев зону запрещенных энергий, попадает в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока. Такие кристаллы (материалы) называют полупроводниками (рисунок 28,б).

Ширина запрещенной зоны определяет электропроводность полупроводников. Ее ширина у них не превышает 3эВ. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещенной зоны и изменяют количество электронов проводимости.

Для диэлектриков ширина запрещенной зоны превышает 3эВ, преодоление ее электронами проводимости затруднено.

Представление о строении материалов с точки зрения энергетических взаимодействий атомных частиц и представляет элементы зонной теории твердого тела.