По характеру заполнения зон твердые тела делятся на две группы

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 Е_g (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 E_g >> 3 эВ. Так, у алмаза E_g = 5,2 эВ; у нитрида бора Е_g = 4,6 эВ; у А1₂Оз Е_g = 7 эВ и т. д.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. 4.9, г). У типичных полупроводников Е_g < 1 эВ. Так, у германия Е_g = 0,65 эВ; у кремния Е_g = 1,08 эВ; у антимонида индия E_g = 0,17 эВ; у арсенида галлия Е_g = 1,43 эВ.

Рассмотрим более подробно эту группу тел.