Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники

Варианты заполнения зон электронами:

1. Если предположить, что последняя зона, в которой есть электроны, заполнена частично, то она будет считаться валентной, а электроны – валентными.

При действии внешнего электрического поля, электроны занимающие уровни вблизи границы заполнения, будут ускоряться и переходить на более высокие свободные уровни той же зоны. В кристалле потечет ток. Кристаллы с частично заполненной валентной зоной хорошо проводят электрический ток, т.е. являются металлами. Все сказанное относится к температуре 0 К. как типичный пример может выступать натрий.

2. Если валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (2-3 эВ) запрещенной зоной не занятой электронами. Если к такому кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то электроны будут переходить на уровни свободной зоны и возникнет ток. Данный кристалл также является металлом. Типичный пример – магний.

3. Если валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (>2-3 эВ) запрещенной зоной (энергетической щелью). В кристалле с зонной структурой внешнее поле не может создать электрического тока, т.к. электроны в запрещенной зоне не могут изменить своей энергии. Вещество представляет собой диэлектрик. Пример – NaCl.

Если ширина запрещенной зоны < 2-3 эВ, то кристалл полупроводник. В проводниках, за счет энергии k_BT заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную зону – называемую зоной проводимости. При очень низких температурах полупроводник становится диэлектриком.

Между металлами и диэлектриками существует принципиальное различие, а между диэлектриками и полупроводниками – только косвенные.

Заполнение зон электронами в металлах, диэлектриках и полупроводниках схематически показано на рисунке.

Заполнение зон электронами.

E_v – граница валентной зоны

E_c – граница зоны проводимости

E_g – ширина запрещенной зоны

Ширина запрещенной зоны

Характер заполнения энергетических зон зависит и от структуры кристалла. Углерод в структуре алмаза – диэлектрик, а в структуре графита – металл.