В свете зонной теории твердых тел

По характеру заполнения электронами внешних разрешенных энергетических зон все твердые тела можно разделить на две группы.

1. Над целиком заполненной электронами энергетической зоной, располагается зона, заполненная электронами частично. Такую структуру энергетических зон имеют металлы: Na, Cu, Ag, Cd,Fe, Pb и т.д (рис.3.4а).

2. Над целиком заполненной электронами энергетической зоной, располагается зона cвободная от электронов. Это характерно для полупроводников и диэлектриков (рис.3.4б).

Твердые тела 1-ой группы являются хорошими проводниками электрического тока, тела 2-ой группы или не проводят электрический ток или проводят его плохо. В чем причина такого поведения этих тел?

Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энергетических зон перемещаются по кристаллу практически одинаково для твердых тел 1-ой и 2-ой групп. Это не зависит от того, являются ли они проводниками или диэлектриками. Поэтому способность электрона легко перемещаться по кристаллу не является условием высоких проводящих свойств твердого тела.

Пусть в кристалле существует внешнее электрическое поле с напряженностью . На каждый электрон это поле действует с силой . Следовательно, под действием этой силы изменяется скорость движения электрона и, естественно, его энергия. Но раз изменяется энергия электрона, то в пределах разрешенной энергетической зоны он должен переходить с одного уровня энергии на другой. Такие переходы могут осуществляться, если в энергетической зоне имеются свободные уровни, то есть энергетическая зона заполнена электронами не полностью – вещество первой группы (рис.3.5).

В полностью заполненной электронами зоне, электрон не может перейти с одного уровня на другой, поскольку нет свободных уровней. Перейти же в верхнюю свободную от электронов энергетическую зону он не может, так как для этого электрон должен получить энергию, большую Еg – ширины запрещенной зоны. Такую энергию от внешнего электрического поля электрон получить не может. Поэтому он не будет реагировать на внешнее электрическое поле и, следовательно, не будет участвовать в создании электрического тока и твердое тело с такой структурой энергетических зон является диэлектриком.

По величине запрещенной зоны тела второй группы условно делятся на диэлектрики и полупроводники.

Диэлектрики – вещества с Е_g > 3 эВ. Например: С_(алмаз) Е_g = 5,2 эВ; BN Е_g = 4.6 эВ; Al₂O₃ Е_g = 7 эВ.

Полупроводники – вещества с Е_g 3 эВ. Например: Si Е_g =1,12 эВ; Ge Е_g = 0,66 эВ.

Верхняя заполненная электронами зона полупроводников и диэлектриков называется валентной зоной. Следующая незаполненная разрешенная зона – зоной проводимости. В металлах оба эти термина приписывают частично заполненной зоне.