35.2. Зоны энергетических уровней электронов в кристалле

При объединении атомов в кристалл орбитали электронов внешних электронных оболочек (валентных электронов) перекрываются и образуют электронное облако, охватывающее (пронизывающее, омывающее) всю кристаллическую решетку. Каждый валентный электрон принадлежит уже не отдельному атому, а всему кристаллу в целом. Поэтому кристалл и его валентные электроны образуют единую квантовую систему. Электронные энергетические уровни (в том числе и незаполненные) при этомрасщепляются, каждый на подуровней, где– общее число атомов в кристалле, образуя зону разрешенных значений энергии электронов илиразрешенную зону. Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии электронов или запрещенными зонами. В соответствии с принципом Паули на каждом из этих подуровней может находиться не более двух электронов.

Деформация орбиталей и расщепление энергетических уровней происходит под действием электрических и магнитных полей соседних атомов. Действие этих полей усиливается при сближении атомов. На электроны внутренних электронных оболочек соседние атомы оказывают значительно меньшее воздействие, поэтому уширение энергетических уровней этих электронов ничтожно. На рис. 35.6 показано образование разрешенных зон, а затем и их уширение при сближении атомов в процессе формирования кристаллической решетки. Здесь – энергия электрона,– расстояние между атомами,– межатомное расстояние в недеформированном кристалле.

Электрические свойства кристаллов определяются строением энергетических зон электронов. На рис. 35.6 верхний энергетический уровень не заполнен и при уширении образует свободную зону. Второй сверху энергетический уровень образует заполненную валентную зону. Ниже расположены практически нерасщепляющиеся заполненные энергетические уровни электронов внутренних оболочек.

Значения энергии электронов сравнительно невелики, а поэтому для их измерения часто пользуются не джоулем, а внесистемной единицей электрон-вольт (эВ). – это энергия, полученная электроном, ускоренным электростатическим полем между точками с разностью потенциалов 1 В.

35.3. Проводники, полупроводники и диэлектрики по зонной теории

Полупроводники – это кристаллические вещества, у которых ширина запрещенной зоны – энергетической щели между валентной, заполненной при низкой температуре, и свободной зоной – не превышает 4 эВ. Это примерно в 100 раз больше средней тепловой энергии атомов при комнатной температуре . На рис. 35.6 полупроводникам соответствует межатомное расстояние. Удиэлектриков ширина запрещенной зоны . На рис. 34.6 диэлектрикам соответствует межатомное расстояние. Уметаллов валентная зона заполнена только наполовину или в результате перекрытия заполненной валентной зоны и свободной зоны образуется частично заполненная гибридная зона. Последнему случаю соответствует межатомное расстояние на рис. 35.6

Частично заполненная разрешенная зона металла (см. рис. 35.7а) называется зоной проводимости, потому что зазор между подуровнями в пределах разрешенной зоны , под действием внешнего электрического полем электроны могут ускоряться, переходя на более высокие подуровни в пределах зоны проводимости. Электроны валентной зоны диэлектрика (см. рис. 35.7в) не могут ускоряться внешним электрическим полем, потому что в валентной зоне нет свободных подуровней, на которые они могли бы перейти, а анергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в свободную зону внешнее электрическое поле не может им сообщить. В полупроводниках при температурах близких к абсолютному нулю (см. рис. 35.7б) имеет место та же ситуация, что и в диэлектриках.