Заполнение энергетических зон начинается с нижних энергетических уровней с соблюдением принципа Паули. В каждой энергетической зоне содержится ограниченное количество уровней. При этом в s-зоне могут находиться лишь два электрона на атом, в р-зоне – шесть, в d-зоне десять и т.д.
Заполнение зон электронами
К первой группе относятся тела, у которых над полностью заполненными зонами находится частично заполненная. Это происходит, если тела состоят из атомов, у которых последний атомный уровень заполнен частично (металлы) (Рис. 4.9 а). Возможно также наложение заполненных зон на пустые или частично заполненные (щелочноземельные элементы) (Рис. 4.9 б).
Рисунок 4.9
Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются пустые зоны (рис. 4.9, в, г) (элементы IV группы таблицы Менделеева — углерод в модификации алмаза, кремний, германий и серое олово, имеющее структуру алмаза). К этой же группе тел относятся многие химические соединения — окислы металлов, нитриды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д.
|
|
При воздействии внешнего поля на каждый электрон действует сила,которая стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, пытаясь затормозить электроны, движущиеся против силы, и ускорить электроны, движущиеся в направлении действия силы. Это связано с изменением энергии электрона, т.е. переходом электрона в новые квантовые состояния с большей или меньшей энергией. Такие переходы могут осуществляться в том случае, если зона укомплектована не полностью.В этом случае уже слабое электрическое поле способно сообщить электронам достаточный добавочный импульс, чтобы перевести их на близлежащие свободные уровни. В теле появится преимущественное движение электронов против поля, обуславливающее возникновение электрического тока. Такие тела являются хорошими проводниками.
Пусть валентная зона кристалла заполнена целиком и отделена от близлежащей свободной зоны широкой энергетической щелью Еg (рис. 4.9, в). Внешнее поле не может изменить характер движения электронов в валентной зоне. Внутри валентной зоны, не содержащей ни одного свободного уровня, оно может вызывать лишь перестановку электронов местами. Т.е. в таких телах внешнее поле не способно привести к появлению направленного движения электронов (тока). Таким образом, отсутствие частично заполненных зон в энергетическом спектре твердых тел делает их непроводниками, несмотря на наличие в них свободных электронов, способных двигаться по всему кристаллу.
|
|
По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков Eg >> 3 эВ. Так, у алмаза Eg = 5,2 эВ; у нитрида бора Еg = 4,6 эВ; у А12Оз Еg = 7 эВ и т. д.
К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. 4.9, г). У типичных полупроводников Еg < 1 эВ. Так, у германия Еg = 0,65 эВ; у кремния Еg = 1,08 эВ; у антимонида индия Eg = 0,17 эВ; у арсенида галлия Еg = 1,43 эВ.
Рассмотрим более подробно эту группу тел.