Элементы зонной теории проводимости

Изолированные атомы характеризуются определенной системой энергетических уровней. В твердом теле, где атомы, образующие кристаллическую решетку, находятся на близких расстояниях, необходимо учитывать их взаимодействие. Оно приводит к расщеплению каждого энергетического уровня на столько уровней, сколько имеется взаимодействующих атомов. Эти новые уровни расположены очень близко друг к другу и образуют энергетическую зону. Зона может быть заполнена электронами полностью либо частично, возможны и пустые зоны (на верхних уровнях). Эти зоны, объединяющие допустимые значения энергии, называются разрешенными, причем на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов (принцип Паули). Разрешенные зоны отделены друг от друга энергетическими интервалами, в которых электрон не может находиться, называемыми запрещенными зонами.

Разрешенная зона, содержащая значения энергии, соответствующие валентным электронам в основном состоянии атома, называется валентной. Более высокие разрешенные зоны свободны от электронов.

Степень заполнения валентной зоны электронами и ширина запрещенной зоны являются критерием, позволяющим отнести твердое тело к проводнику, полупроводнику или диэлектрику (рис.1). В металлах, например, валентная зона частично заполнена электронами, являясь, таким образом, зоной проводимости. Достаточно сообщить электрону совсем небольшую энергию (порядка 10 ^-22 эВ), чтобы перевести его на более высокий уровень. Эту энергию можно сообщить, действуя на электрон электрическим полем.

У полупроводников и диэлектриков валентная зона заполнена полностью, поэтому, чтобы перевести электрон на более высокий уровень, надо перебросить его в свободную зону, то есть сообщить ему энергию не меньшую, чем ширина запрещенной зоны, расположенной между валентной и соседней свободной зоной. У полупроводников ширина запрещенной зоны невелика (порядка нескольких десятых эВ). Поэтому может быть легко осуществлен переброс части электронов в свободную зону за счет энергии внешнего источника (нагревание, облучение). Свободная зона станет для них зоной проводимости. Одновременно станет возможным переход электронов в валентной зоне, поскольку в ней освобождаются верхние уровни, возникают вакансии (дырки).

Если же ширина запрещенной зоны велика (более 2 эВ), то энергии теплового движения оказывается недостаточно, чтобы забросить в свободную зону заметное число электронов, и вещество относится к диэлектрикам.

Рис.1. Объяснение проводимости вещества на основе зонных представлений