Элементы зонной теории тела

Стекла и аморфные тела

Любой системе соответствует определенная энергия, причем чем больше система упорядочена тем ниже эта энергия. Система стремится к минимуму энергии. При затвердевании большинство веществ стремится кристаллизоваться, но не всегда это удается. Основная причина неудач заключается в том, что с уменьшением температуры резко уменьшается подвижность атомов и возрастает вязкость. В этом случае образуется аморфная структура.

Свойства аморфных тел:

1. Изотропность (нет различий в свойствах по различным направлениям).

2. Нет четкой температуры плавления.

3. В место плавления происходит размягчение с довольно широким интервалом температур.

Зонная теория это основная теория, которая объясняет все явления в кристаллической решетке при взаимодействии с электромагнитным полем. Основная идея базируется на квантовых явлениях. Электроны могут занимать определенный набор орбит, на каждой орбите электрон движется с определенной скоростью, т.е. имеет определенную энергию. Набор этих уровней называется спектром энергетических уровней атома. Все уровни можно разбить на два вида:

Устойчивый (на нем электрон может находиться сколь угодно долго).

Неустойчивый (атом находится в возбужденном состоянии).

Атом стремится к минимуму энергии, т.е. из возбужденного в устойчивое состояние. При переходе разность энергии излучается в виде кванта. Энергии квантов четко определены, так как неустойчивые орбиты фиксированы.

Как следствие любое вещество имеет свой спектр излучения.

В газообразной среде атомы удалены друг от друга достаточно далеко, поэтому взаимодействие отсутствует, значит, положение уровней практически такое же, как и у уединенного атома. Поэтому спектр свечения газа состоит из отдельных полос. Совсем другая картина в твердых телах, у соседних атомов начинается перекрытие электронных облаков, т.е. атомы начинают взаимодействовать при этом электроны могут переходить от одного атома к другому по средствам обмена без изменения энергии. Поэтому в твердых телах про электроны внешней оболочки нельзя сказать, каким атомам они принадлежат, они являются общими. То есть каждый валентный электрон принадлежит, как бы всем атомам это приводит к тому, что энергетические линии расщеплены в зоны (валентная зона проводимости). Размеры и положение зон практически не зависит от размеров образца, а только от его структуры. Зоны состоят из отдельных линий и их количество соизмеримо с количеством атомов в образце. Это приводит к тому, что эти зоны ведут себя двояко, т.е. с одной стороны это сплошная область с другой стороны на каждой зоне может прибывать определенное количество электронов (). У различных веществ уровни могут быть заполнены или частично заполнены. Отнести вещество к проводникам или диэлектрикам можно по двум факторам:

1. Запрещенная зона достаточно широка, но в валентной зоне есть линии не до конца заполненные электронами.

2. Все уровни валентной зоны заполнены:

Для диэлектриков велико, для полупроводников мало, для проводников близко к нулю.

Таким образом, вещество становятся проводником либо когда валентным электронам легко переходить в зону проводимости, либо когда валентная зона не полностью заполнена.

полупроводники

Помещаем образец в электрическое поле. Чтобы двигаться электроны должны приобрести дополнительную энергию. Чтобы приобрести дополнительную энергию он должен переместиться на другой уровень. Если все уровни заполнены, то он не может получить энергию, следовательно, не может двигаться. Если есть возможность перейти, то может начаться движение электронов. Электропроводность может появляться, если часть электронов перейдет в свободную зону, так как в свободной зоне всегда есть свободные уровни. При К в диэлектриках все свободные уровни пусты (абсолютный изолятор). С повышением температуры приобретается дополнительная энергия и у некоторых электронов хватает энергии перейти из валентной зоны в свободную, то есть с повышением температуры у диэлектриков появляется проводимость. Эта проводимость зависит от количества электронов в свободной зоне.

С повышением температуры горб сдвигается, следовательно, площадь увеличивается, следовательно, проводимость растет.

Для перехода электрона из валентной зоны в свободную зону необходим приток дополнительной энергии, которая может поступать различными путями (нагревание). При нормальных условиях проводимость очень мала. Если за счет каких то факторов электроны переместятся из валентной зоны в свободную зону на его месте остается вакансия (дырка), которая может быть заполненной другим электроном, на своем месте он оставляет дырку. Дырка обладает положительным зарядом и может перемещаться по кристаллу как некоторая положительная частица.

Ширина запрещенной зоны может меняться от некоторых факторов, таких как:

1. С ростом температуры, кроме того, что больше электронов переходит на свободный уровень, увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах решетки.

2. С ростом температуры может просто меняться межатомное расстояние.

Кроме того, энергия для перехода из валентной зоны в свободную зону, а так же энергию для образования дырок может дать не только тепловое движение, но и поглощение электромагнитного кванта, ядерные процессы, в некоторых случаях механические факторы (трение). Кроме того, различные аллотропные состояния имеют различные свойства, например, графит и алмаз. У графита запрещенная зона мала, графит – проводник. Алмаз – диэлектрик. Если в веществе имеются атомы примеси, то эти примеси могут создавать валентные уровни в запрещенной зоне при этом если атомы редки, то они расположены далеко друг от друга и взаимодействие между ними отсутствует (они создают дискретные уровни).

Если атомов примеси много они начинают взаимодействовать друг с другом, появляется зона внутри запретной зоны.