2018-02-14
528
Пусть имеется N изолированных атомов какого-либо вещества. Пока атомы изолированы друг от друга, они имеют полностью совпадающие значения энергетических уровней для электронов.
Заполнение уровней в каждом атоме осуществляется независимо друг от друга. По мере сближения атомов, между ними возникает взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней: вместо одного одинакового для всех атомов уровня возникает N очень близких, но не совпадающих уровней энергии. То есть уровень изолированного атома расщепляется в кристалле на N густо расположенных уровней, образующих энергетическую зону. Наиболее сильно расщепляются уровни, заполненные в атоме внешними валентными электронами и верхние незаполненные уровни. Между разрешенными зонами располагаются запрещенные зоны, где электрон находиться не может. Энергетический зазор между уровнями в зоне очень мал: ~ 10-23 эВ. Т.е. энергия электронов в зоне может изменяться почти непрерывно. На каждом уровне в зоне может находиться не более двух электронов с разными спинами. Если не рассматривать нижние зоны, то последняя из заполненных зон называется валентной зоной. Следующая незаполненная разрешенная зона называется зоной проводимости. Эти зоны разделены энергетическим промежутком, называемым запрещенной зоной. Существование энергетических зон позволяет с единой точки зрения объяснить существование металлов, полупроводников и диэлектриков. Возможны три случая:
|
|
|
1. Если электроны занимают валентную зону не полностью, то достаточно сообщить электронам небольшую энергию ~ 10-23 эВ, 
чтобы перевести их на более высокий уровень. При этом электроны становятся свободными и могут проводить электрический ток, т.е. кристалл с таким заполнением уровней является металлом.
2. Если все уровни валентной зоны заняты электронами, то, чтобы увеличить энергию электрона, т.е. сделать его свободным, необходимо сообщить ему энергию, превышающую ширину запрещенной зоны E > ΔE. Свойства кристаллов с таким заполнением валентной зоны определяются величиной ΔЕ. Если ΔЕ не велика: ΔЕ ~ 0,5 ÷2,5 эВ, то энергии теплового движения будет достаточно, чтобы перевести электрон в зону проводимости. Такой кристалл называется полупроводником.
3. Если валентная зона заполнена, но ширина ΔЕ > 3 эВ, то энергии теплового движения недостаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Такой кристалл является диэлектриком.
