Заполнение энергетических зон электронами и электрические свойства твердых тел

В зонной теории твердых тел различия в электрических свойствах разных типов твердых тел объясняются шириной запрещенных зон и различным характером заполнения разрешенных энергетических зон. В свою очередь, степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если какой-то уровень атома полностью заполнен электронами, то образующаяся из него зона также полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных — частично заполненные.

Поведение электронов в целиком заполненных и частично заполненных зонах существенно отличается. Внешнее электрическое поле вызывает изменение в движении электронов не полностью заполненной зоны и не может вызвать изменение в движении электронов заполненных зон. Дело в том, что изменение в движении электронов неизбежно связано с изменением их энергии и означает переход электрона в новое квантовое состояние. Под действием внешнего электрического поля могут совершаться лишь внутризонные переходы.

Если же валентная зона кристалла заполнена полностью и отделена от ближайшей свободной зоны запрещенной зоной, то внешнее поле не в состоянии изменить характер движения электронов из-за отсутствия свободных энергетических уровней. Поэтому, в таких полях внешнее электрическое поле не способно создать направленное движение электронов, т.е. вызвать электрический ток. Межзонные же переходы электронов требуют более высокой энергии, определяемой шириной запрещенной зоны, и возможны либо за счет теплового возбуждения, либо каких-то других внешних факторов (облучение, сильные электрические поля и др.).

С учетом этого, по характеру заполнения электронами и ширине запрещенной зоны все тела можно разделить на три группы. У проводников электроны лишь частично заполняют валентную зону(рис.5, а). Такая зонная структура характерна для щелочных металлов. Частично заполненная зона может образоваться также вследствие наложения заполненных зон на свободные зоны, как это имеет место у щелочно-земельных металлов (рис.5, б). Тела, у которых заполненная валентная зона отделена от свободной зоны проводимости, являются непроводниками (рис.5, в).

Рис.5

К диэлектрикам относятся тела, ширина запрещенной зоны у которых более 3 эВ. Так, у алмаза Е_g=5,2эВ, у нитрита бора E_g=4,6 эВ, у NaCl E_g=6 эВ.

Рис.5

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону. У типичных полупроводников E_g<l эВ. Так, у германия E_g=0,66 эВ, у кремния E_g=l,08 эВ, у антимонида индия E_g=0,17 эВ и т.д.