Зонная структура в металлах, полупроводниках и диэлектриках

Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.

Разрешённую зону, полностью заполненную электронами и возникшую из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии атома, называют валентной зоной.

Зона, заполненная электронами частично или пустая (при Т = 0 К), называется зоной проводимости.

Металлы.

а) Если самая верхняя зона, содержащая электроны, заполне– на лишь частично, то энергии теплового движения электронов (kT ~ 10^-4 эВ) достаточно, чтобы электроны перешли на свободные уровни в этой зоне (стали свободными), обеспечивая про– водимость металлов.

б) Если валентная зона перекрывается свободной зоной, то образуется гибридная зона, которая заполнена валентными электронами лишь частично, что также обеспечивает проводимость металлического типа (например, у щелочно–земельных металлов).

Полупроводники.

Если уровни валентной зоны полностью заняты электронами, то для того чтобы электрон попал в зону проводимости ему необходимо сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещённой зоны ∆Е.

17-5

Если ∆Е невелика (порядка нескольких десятых долей эВ) то энергия теплового движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону проводимости. Эти электроны будут находиться в условиях, аналогичных тем, в которых находятся валентные электроны в металле. Одновременно станет возможным переход электронов валентной зоны на её освободившиеся верхние уровни. Такие вещества называются собственными полупроводниками.

Диэлектрики.

Если ширина запрещённой зоны ∆Е велика (условно более 2 эВ) то в этом случае кристалл называется диэлетриком.

В твёрдых диэлектриках электроны могут перемещаться по кристаллу с тепловыми скоростями. Однако это движение хаотично и не создаёт направленного электронного «дрейфа» электрического тока. Тепловое движение в этом случае не может забросить в свободную зону заметное число электронов.

Современное представление о строении диэлектриков совершенно отличается от представлений о связанных зарядах, лежащих в основе классической теории диэлектриков.

Электроны в кристаллах диэлектриков следует считать в некотором смысле более свободными, чем в металлах так как внешнее электрическое поле не может заставить их двигаться в определённом направлении и создать электрический ток.