Зонная теория твердых тел

Твердые тела – это тела, имеющие кристаллическую решетку.

Взаимодействие между атомами в кристаллической решетке приводит к смещению и расщеплению энергетических уровней – они расширяются в зоны.

Заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних валентных электронов, которые слабо связаны с атомов, и высокие уровни, не занятые электроны.

Валентные электроны могут переходить от атома к атому.

Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах заштрихованных на рис. областей (разрешенных энергетических зон).

Каждая зона вмещает столько дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Расстояние между соседними уровнями в зоне эВ (т.е. зона практически непрерывна).

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.

У металлов-проводников запретной зоны нет, а валентная зона и зона проводимости могут даже перекрываться. Поэтому, электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень, т.е. участвовать в проводимости.

У полупроводников запрещенная зона достаточно узка (DW порядка 1 эВ), поэтому переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко: либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию DW.

У диэлектриков ширина запретной зоны гораздо больше 1 эВ (например, для NaCl D W =6 эВ), поэтому электроны практически не имеют возможности осуществить переход из валентной зоны в зону проводимости.

При температурах, близких к 0 К, диэлектрики, так как переход электронов в зону проводимости не происходит.

С повышением температуры полупроводники ведут себя как проводники : при нагревании у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость полупроводников в этом случае увеличивается.