Заполнение энергетических зон электронами

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энергетических уровней. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разделить на 2 большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами располагается зона, частично заполненная электронами (рис. 3.9, а). Эго имеет место, например, в щелочных металлах. Частично заполненная зона может образоваться также из-за наложения полностью заполненных зон на пустые или частично занятые электронами, как, например, у щелочноземельных

Различные схемы заполнения электронных уровней в энергетических зонах кристалла

Рис. 3.9. Различные схемы заполнения электронных уровней в энергетических зонах кристалла

элементов (рис. 3.9, б). Наличие зоны, заполненной электронами лишь частично, присуще металлам.

Во вторую группу входят тела, у которых над полностью заполненными зонами расположены пустые зоны (рис. 3.9, в, г). К этой категории тел относятся, например, элементы группы IVA таблицы Менделеева — С (модификация алмаза), Si, Ge, Sn. Эта же группа включает в себя многие химические соединения — окислы металлов, нитриды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д.

Различные твердые тела обладают разной способностью проводить электрический ток. Так, различия удельной электропроводности у металлов и диэлектриков колоссальны: у металлов она достигает ст= 107 Ом1 м 1, у диэлектриков —ст< 10й Ом_1м '. Наличие свободных электронов, способных перемещаться по кристаллу, является необходимым условием, но не достаточным для появления у тел электропроводности.

Чтобы сформулировать достаточное условие электропроводности, рассмотрим поведение электронов во внешнем электрическом поле.

Создадим в кристалле поле напряженности ё. При этом на каждый электрон будет действовать сила ег, которая изменит энергию электрона и его квантовое состояние в зоне. Однако переход электрона в другое состояние возможен лишь в том случае, если в энергетической зоне, к которой принадлежит данный электрон, имеются незанятые состояния, т. е. если зона укомплектована электронами не полностью.

В этом случае даже слабое электрическое поле способно перемещать электроны на свободные уровни, что объясняет появление электрического тока. Такие тела являются проводниками.

Если же валентная зона кристалла заполнена целиком и отделена от ближайшей свободной зоны широкой энергетической щелью Е& (см. рис. 3.9, в), то внешнее поле в, приложенное к такому кристаллу, будет не в состоянии перевести электроны на энергетические уровни свободной зоны. Внутри же заполненной валентной зоны внешнее электрическое поле способно лишь переставить электроны местами, что не нарушает симметрию распределения электронов по скоростям. Поэтому в подобных телах внешнее поле не в состоянии вызвать направленное движение электронов, т. е. электрический ток, вследствие чего такие тела обладают нулевой электропроводностью.

По ширине запрещенной зоны Е& тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники.

К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкие запрещенные зоны. У типичных диэлектриков ?ё>3 эВ: у алмаза 5,2 эВ, у нитрида бора (ВЫ3) 4,6 эВ, у двуокиси алюминия (А120з) 7 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие относительно узкие запрещенные зоны, которые под действием внешних возмущений, например тепловых, электроны могут преодолеть (см. рис. 3.9, г). У типичных полупроводников Её < 1 эВ. Так, у германия 0,66 эВ, у кремния 1,08 эВ, у арсенида галлия 1,49 эВ, у антимонида индия 0,1 эВ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >