Проводники и диэлектрики и полупроводники – 33. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории. Примесные полупроводники. Понятие сверхпроводимости. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории

Проводники, диэлектрики, полупроводники

     Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду

электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.

 

     Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:

1 Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами. Под действием раствора молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).

2 Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.). В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..

Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

 

3 Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического или магнитного поля. Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются свободные электроны (электронная проводимость). В момент образования свободного электрона в ковалентной связи появляется свободный город — «электрона дыра» (эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е. под действием электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу электронам) — движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости — электрон проходит весь путь, а при «дырочной» — электроны поочередно замещаются по связям, каждый электрон проходит долю пути. При нарушении связей в полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и «дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется собственной проводимостью полупроводника. Свойства полупроводников возможно изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или иную проводимость. Это используется в промышленной электронике: диоды, транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии, стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток: зависимость проводимости от температуры.


Лекция 1 Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энер­гетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограничен­ном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разде­лить на две большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагается зона, заполненная лишь частично (рис. а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уро­вень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Частично заполненная зона может образоваться вслед­ствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные (рис. б). Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще

металлам.

Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагаются пустые зоны (рис. в, г). Типичным примером таких тел являются химические 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. Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энерге­тических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электро­нов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности удельная электропроводность, различаются у них на много порядков.

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 Eg — 4,6 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников Eg < 1 эВ. Так, у германия Eg = 0,65 эВ; у кремния Eg = 1,08 эВ; у арсенида галлия E

g = 1,43 эВ

Диэлектрики:

Запрещенная зона Wg~5эВ; ρ=108÷1018Ом*м;

Металлы:

Запрещенная зона Wg=0; ρ=10-8÷10-6Ом*м;

Полупроводники:

Запрещенная зона Wg~1эВ; ρ=10-6÷107Ом*м;

Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т. д.

На рис. а показана упрощенная схема зонной структуры соб­ственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии E

g является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, об­ладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического воз­буждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энер­гию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне — свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При при­ложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.

Из изложенного вытекают сле­дующие два важных вывода.

Проводимость полупровод­ников является проводимостью возбужденной: она появляется под действием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию, достаточную для переброса их в зону прово­димости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

где σ – удельная проводимость;

ρ – удельное электрическое сопротивление;

n – концентрация носителей заряда;

q – величина заряда;

μ – подвижность носителей заряда;

Подвижность носителей заряда характеризует способность перемещаться под действием электрического поля.

В металлах n практически не меняется. В полупроводниках n зависит от температуры.

где k – постоянная Больцмана

T – абсолютная температура

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводни­ком. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой смысл.

В таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трех типичных собствен­ных полупроводников при комнатной температуре — кремния, германия и антимонида индия.

Вещество

Eg, эВ

ρ, Ом×м

μn,см2/В×с

μp,см2/В×с

γ, г/см3

M, г/моль

Ge (70÷800C)

0,66

0,8

4000

3000

5,3

73

Si (120÷1400C)

1,12

2000

1900

400

2,3

28

Из данных таблицы видно, что с уменьшением ширины запрещенной зоны резко возрастает концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике и падает его удельное сопротивление.

Проводники, полупроводники, изоляторы. | Электроника как хобби

Проводники, полупроводники и изоляторы — это вещества с различным количеством свободных зарядов.

Проводники отлично проводят электрический ток благодаря большому количеству свободных зарядов в меж атомном пространстве (Рис 16.1) К ним относятся все металлы, так же проводниками могут быть некоторые жидкости и газы.

Полупроводники имеют уже более меньшее количество свободных зарядов чем проводник (рис.16.2)  и за счет этого обладают меньшей проводимостью электричества.

В диэлектриках свободные заряды почти отсутствуют (Рис.16.3) и поэтому они не проводят электричество.

Проводимость зависит от свободных зарядов в веществе

Так в чем же «фишка» этих свободных зарядов как они влияют на проводимость?

Разберем это на примере с металлическим проводником. В металлах почти все атомы являются положительными ионами из за слабой связи крайних электронов с ядром атома, они практически не закреплены на его орбите и за счет этого легко покидают его. Свободные заряды (электроны) мечутся от одного атома к другому напоминая беспорядочно движущийся рой пчёл и за счет такого беспорядочного движения свободных зарядов в металлическом проводнике к нему применяют такое вырождение как «Электронный газ».

Если проводник не подключен к источнику питания то в нем будет равное количество электронов и протонов. Это означает что проводник является сам по себе электрически нейтральным хоть в нем и происходит такое бурное беспорядочное движение зарядов в меж атомном пространстве.

Подключив проводник к источнику питания в нем начинается уже упорядочное      движение зарядов, а происходит это движение благодаря тому что заряды(электроны) начинают упорядочено перемещаться (тянуться) к противоположенному источнику питания перепрыгивая от одного атома к другому. И отсюда можно сделать вывод, что чем больше в веществе атомов способных легко терять и принимать электроны (отсюда и много свободных зарядов в веществе) тем выше его проводимость ведь чем больше таких атомов будет трудиться помогая перемещать заряды от минуса к плюсу тем больше будет проводимость такого вещества.

Так как полупроводник имеет меньшее количество св

5.23. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории

Зонная теория  один из основных разделов квантовой теории твердых тел, которая описывает движение электрона в кристаллах. Согласно этой теории электроны внешних энергетических зон имеют примерно одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Действительно их движение осуществляется путем туннельного перехода от одного атома к другому. Современные представления о строении диэлектриков существенно отличаются от представлений о связанных зарядах, лежащих в основе классической теории.

Наличие свободных электронов является лишь необходимым условием проводимости у тел, но не достаточным.

В зонной теории проводники, диэлектрики и полупроводники по электрическим свойствам отличаются расположением разрешенных и запрещенных зон энергии и заполнением этих зон электронами.

Чем больше энергия электрона в изолированном атоме, тем шире разрешенная зона и меньше ширина запрещенной зоны.

Рис. 5.23

Последняя полностью заполненная электронами зона называется валентной зоной.

Следующая за валентной зоной свободная зона или частично заполненная электронами при Т = 0 К, называется зоной проводимости.

Электропроводность твердого тела зависит не от числа валентных электронов, а от отношения числа электронов в зоне проводимости к общему числу энергетических уровней в этой зоне.

К проводникам относятся тела, у которых над полностью заполненной электронами валентной зоной располагается частично заполненная электронами зона проводимости.

Такие зоны возникают в том случае, если энергетический уровень, из которого она возникает, заполнен в атоме не полностью, например, у щелочных элементов и металлов (рис. 5.23, а).

Частично заполненная электронами зона может образоваться изза перекрытия валентной зоны и зоны проводимости (гибридная зона), что имеет место у бериллия и щелочноземельных элементов (рис. 5.23, б).

Следовательно, достаточным условием проводимости тел является наличие в их энергетическом спектре разрешенных зон, заполненных электронами лишь частично.

Поэтому даже слабое электрическое поле способно перевести электроны на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, т. е. появится электрический ток.

К диэлектрикам и полупроводникам относятся тела, у которых при Т = 0 К над полностью заполненными электронами валентными зонами находятся свободные зоны (зоны проводимости). Эти зоны разделены широкими запрещенными зонами. К ним относятся химические элементы, например, алмаз, кремний, германий, а также многие химические соединения  окислы металлов, нитриды и т. д. К диэлектрикам относятся вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (W  23 эB).

Рис. 5.24

Например, у алмаза  W = 5,2 эB, у нитрида бора  W = 4,6 эB, у Al2O3  W 7 эB и т. д. (рис. 5.24, а). К полупроводникам относятся вещества, у которых имеется более узкая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости, чем у диэлектриков ее энергия W  23 эB.

Например, у германия ширина запрещенной зоны W = 0,66 эB, у кремния  W = 1,08 эB, у арсенида галлия  W =1,4 эB (рис. 5.24, б).

Под действием электрического поля напряженностью Е = 105 В/м (обычные источники тока) может быть сообщена электронам энергия W  103 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны в диэлектриках и полупроводниках. В табл. 5.1 приведены значения ширины запрещенной зоны (энергии активации) W и концентрации электронов n в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

Таблица 5.1

W,

эВ

10

5

3

2

1

0,75

0,5

0,1

0,01

n,

м3

1059

1029

10

108

1017

1019

1021

1024

1029

Диэлектрики

Полупроводники

Металлы

33. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории. Примесные полупроводники. Понятие сверхпроводимости. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории

Зонная теория один из основных разделов квантовой теории твердых тел, которая описывает движение электрона в кристаллах. Согласно этой теории электроны внешних энергетических зон имеют примерно одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками.

Наличие свободных электронов является лишь необходимым условием проводимости у тел, но не достаточным.

В зонной теории проводники, диэлектрики и полупроводники по электрическим свойствам отличаются расположением разрешенных и запрещенных зон энергии и заполнением этих зон электронами.

Чем больше энергия электрона в изолированном атоме, тем шире разрешенная зона и меньше ширина запрещенной зоны.

Рис. 5.23

Последняя полностью заполненная электронами зона называется валентной зоной.

Следующая за валентной зоной свободная зона или частично заполненная электронами при Т = 0 К, называется зоной проводимости.

Электропроводность твердого тела зависит не от числа валентных электронов, а от отношения числа электронов в зоне проводимости к общему числу энергетических уровней в этой зоне.

К проводникам относятся тела, у которых над полностью заполненной электронами валентной зоной располагается частично заполненная электронами зона проводимости.

Такие зоны возникают в том случае, если энергетический уровень, из которого она возникает, заполнен в атоме не полностью, например, у щелочных элементов и металлов (рис. 5.23, а).

Частично заполненная электронами зона может образоваться изза перекрытия валентной зоны и зоны проводимости (гибридная зона), что имеет место у бериллия и щелочноземельных элементов (рис. 5.23, б).

Следовательно, достаточным условием проводимости тел является наличие в их энергетическом спектре разрешенных зон, заполненных электронами лишь частично.

Поэтому даже слабое электрическое поле способно перевести электроны на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, т. е. появится электрический ток.

К диэлектрикам и полупроводникам относятся тела, у которых при Т = 0 К над полностью заполненными электронами валентными зонами находятся свободные зоны (зоны проводимости). Эти зоны разделены широкими запрещенными зонами. К ним относятся химические элементы, например, алмаз, кремний, германий, а также многие химические соединения окислы металлов, нитриды и т. д. К диэлектрикам относятся вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (W 23 эB).

Рис. 5.24

Например, у алмаза  W = 5,2 эB, у нитрида бора  W = 4,6 эB, у Al2O3  W 7 эB и т. д. (рис. 5.24, а). К полупроводникам относятся вещества, у которых имеется более узкая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости, чем у диэлектриков ее энергия W  23 эB.

Например, у германия ширина запрещенной зоны W = 0,66 эB, у кремния  W = 1,08 эB, у арсенида галлия  W =1,4 эB (рис. 5.24, б).

Под действием электрического поля напряженностью Е = 105 В/м (обычные источники тока) может быть сообщена электронам энергия W  103 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны в диэлектриках и полупроводниках. В табл. 5.1 приведены значения ширины запрещенной зоны (энергии активации) W и концентрации электронов n в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

Таблица 5.1

W,

эВ

10

5

3

2

1

0,75

0,5

0,1

0,01

n,

м3

1059

1029

10

108

1017

1019

1021

1024

1029

Диэлектрики

Полупроводники

Металлы

Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток

Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами. В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное облако. Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.

В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. В них отрицательно заряженные электроны крепко связаны электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов. В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме.

Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока.

К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами.

Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.

Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда-то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов.

Для того чтобы заставить упорядоченно двигаться в одном направлении свободные электроны в нити накала электрической лампочки, нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит — раствор соли или кислоты, допустим, серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС), или напряжение. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике — электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например, в электролитах химических источников постоянного тока, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.

Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами — в другом, обратном предыдущему и так далее. В цепи появится переменный ток.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Переменный ток выгодно отличается от тока постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.

2.Проводники,диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории.

Основы строения вещества

1.Модель твердого тела. Энергетические зоны в твердом теле. Уровень Ферми.

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также запол нена целиком. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и о зове проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов изолированных атомов.

В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая, изображенные на рис. 314.

На рис. 314, а самая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т. е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т. е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутривенный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения kT  10-4 эВ, т. е. гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10-22 эВ). Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

Твердое тело является проводником электрического тока и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (рис. 314, б). Это имеет место для щелочно-земельных элементов, образующих II группу таблицы Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn, …). В данном случае образуется так называемая «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Следовательно, в данном случае металлические свойства щелочно-земельных элементов обусловлены перекрытием валентной и свободной зон.

Помимо рассмотренного выше перекрытия зон возможно также перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо двух частично заполненных зон в кристалле окажутся одна полностью заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны E.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах (рис. 314, в). Если запрещенная зона достаточно узка (Е порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источ ника, способного передать электронам энергию Е, и кристалл является полупроводником (рис. 314, г).

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl Е = 6 эВ), для полупроводников — достаточно узка (например, для германия E = 0,72 эВ). При температурах, близких к 0 К, полупроводники ведут себя как диэлектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о