Зонная структура твердых тел

В основе современной электронной теории твердых тел лежит зонная теория,объясняющая электрические свойства всех материалов, в том числе и ПП.В изолированном атоме энергия электрона определяется силой притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В кристалле энергии электронов изменяются : у одних увеличиваются , у других уменьшаются, так как возникают силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Если в изолированном атоме энергия каждого электрона соответствует определенному энергетическому уровню, то в кристалле эти энергетические уровни расщепляются в энергетические зоны, число уровней в которых равно числу атомов в твердом теле (рисунок 1.22)

Ширина этих зон определяется природой атомов и структурой кристалла. Зона, соответствующая энергиям валентных электронов, называется валентной зоной. У ПП в валентной зоне находятся электроны, участвующие в ковалентных связях. При воздействии

Рисунок 1.22

внешних факторов (электрического поля, облучения светом, нагревания и т.д.) электроны валентной зоны приобретают дополнительную энергию, переходят на более высокие энергетические уровни и становятся электронами проводимости.

Совокупность энергетических уровней таких электронов образует зону проводимости или свободную зону, которая в отсутствие внешних факторов оказывается свободной, незаполненной электронами. Между валентной и свободной зонами находится запрещенная зона, т.е. промежуток значений энергии, которыми электрон в данном кристалле обладать не может(рисунок 1.23.)

Рисунок 1.23 - Энергетические диаграммы диэлектрика, ПП, металла.

В зависимости от ширины запрещенной зоны ∆E, все материалы делятся на проводники ∆E<0,1 эВ, полупроводники ∆E=(0,1-3) эВ и диэлектрики ∆E>3 эВ. (I-эВ – энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1 В).