Металлы, полупроводники, диэлектрики

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 разрешённых зон и, во-вторых, шириной запрещённых зон.

Степень заполнения энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих уровней в изолированных атомах. Если при этом какой-то энергетический уровень свободного атома полностью заполнен, то возникающая при образовании кристалла энергетическая зона так же заполнена целиком.

В общем случае можно говорить об энергетических зонах, которые полностью заполнены электронами и образованы из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и о валентных зонах, среди которых верхняя зона либо полностью заполнена электронами при Т = 0 К, либо частично. Принято полностью заполненную электронами зону называть валентной зоной, а частично заполненную – свободной или зоной проводимости.

В зависимости от степени заполнения верхней зоны электронами и ширины последующей запрещённой зоны возможны следующие четыре случая распределения электронов, схематически представленные на рис. 3.6.

Если в энергетическом спектре валентных электронов твердого тела имеется зона, лишь частично заполненная электронами (рис. 3.6, а, б), то это тело является проводником электрического тока.

а)	б)	в)	г)
Рис. 3.6

В этом случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку», например, за счёт теплового движения или электрического поля, сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т.е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутризонный переход вполне возможен, так как, например, уже при Т = 1 К энергия теплового движения кТ ≈ 10^-4 эВ, что намного порядков больше разности энергий между соседними уровнями зоны, примерно равной 10^-22 эВ.

Твердые тела, у которых верхняя энергетическая зона, содержащая электроны, при Т = 0 К полностью заполнена электронами, а последующая разрешённая зона пуста (свободная зона) являются или диэлектриками, или полупроводниками, в зависимости от ширины запрещённой зоны между заполненной и свободной зонами (рис. 3.6, в, г).

Если запрещённая зона кристаллического вещества достаточно мала ( порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлён либо путём теплового возбуждения, либо за счёт какого-либо внешнего источника, способного передать электронам энергию , и вещество является полупроводником (рис. 3.6, в). Если же ширина запрещённой зоны более 3 эВ, то кристаллическое тело является не проводником, т.е. диэлектриком (рис. 3.6, г).