Кристалдардағы энергетикалық зоналар

Қатты денелердің зоналық теориясы – қатты денелер физикасының күрделі бөлімі, сондықтан біз оның негізгі ұғымдарына ғана тоқталамыз.

Біз оңашаланған атомдағы әрбір электронға өзінің энергетикалық деңгейі сәйкес келетінін білеміз (анықталмағандық қатынасы мен құрылымын ескере отырып). Атомдар жақындағанда (кристалл пайда болғанда) оңашаланған атомдардың (4.4. б-сурет) энергетикалық деңгейлері зоналарға таралады (4.4 а- сурет). Энергетикалық деңгей энергиясы көп болған сайын, электрон ядродан алыстай береді. Валенттік электрондар орналасқан энергия деңгейінен «валенттік зона», оған жақын орналасқан тиым салынбаған энергиясы бар, бос деңгей «бос зона» немесе «өткізгіштік зона» құрайды (2.4-сурет).

Электрондар үшін тиым салынған энергия мәндерінің интервалы «тиым салынған зона» ( ) деп аталады. Ішкі электрондар энергия деңгейлері мүлдем таралмайды, оңашаланған атомдағы сияқты болып қалады. 1 см³ қатты денеде 10²² - 10²³ атом болады, олардың барлығы бір-бірімен өзара әсерлеседі, ендеше олардың зона ішіндегі энергетикалық деңгейлері де соншама болады. Зоналардың ені шамамен 1 эВ, олай болса зоналар ішіндегі деңгейлер арасындағы ара қашықтық эВ. Мұны тұтас спектр деуге болады, сондықтан электрондар бір деңгейден екінші деңгейге зона ішінде еркін өте алады.

Заттардың барлық химиялық, электрлік, оптикалық қасиеттері валенттік электрондардың іс-әрекетіне байланысты болады. Энергиясы аз, төменгі күйге валенттік электрондар түсе алмайды, ондағы барлық күйлер толығымен толтырылған; олар кристалда тек қана жартылай бос валенттік зона мен еркін зонада ғана орын ауыстыра алады. Сондықтан, әдетте біз еркін және валенттік зонаны ғана қарастырамыз.

Энергетикалық зоналар - қатты денелердің металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер болып бөлінуін бір теория бойынша түсіндіруге мүмкіндік береді. Валенттік зонаның электрондармен толтырылу дәрежесі мен тиым салынған зона еніне байланысты үш түрлі жағдай болуы мүмкін: ( болған кезде).

1. Валенттік зона электрондармен толығымен толтырылмаған немесе валенттік зона келесі бос зонамен жабылады ( болғанда, 4.4-суретті қара). Егер зона ішінде бос деңгейлер болса, ондай зона өткізгіштік зона деп аталады. Бұл металдарға тән.

2. Валенттік зона толығымен толтырылған. Электрон кристалда орын ауыстыру үшін оған -ден кем энергия бермеу керек.

2.1. эВ. Мұндай заттар жартылай өткізгіштер деп аталады. ( , 4.4 – суретті қара).

2.2. эВ ( , 4.4-суретті қара), ондай заттар диэлектриктер деп аталады.. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктер арасында принципиальды айырмашылық жоқ екендігі түсінікті: бұл заттар төменгі температураларда электр тогын өткізбейді, яғни электрондардың электр өрісі әсерінен алатын энергиясы аз энергияны жеңуге де жетпейді. Бірақ та, температура 300 К және одан жоғары болғанда жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің электр өткізгіштіктері айтарлықтай өзгереді.