Металлы, полупроводники и диэлектрики

Если изолированные атомы сблизить до расстояния L = 0,1 нм (расстояние между атомами в кристалле), то происходит сильное взаимодействие между атомами, что приводит к перекрытию их электрических полей. В этих условиях существенную роль играет туннельный эффект (см. § 83), с помощью которого валентный электрон уходит от своего атома и переходит к соседнему. В этом случае не имеет смысла говорить о принадлежности валентных электронов к определенным атомам. Эти электроны могут перемещаться по всему кристаллу, образуя квантовый электронный газ.

Образование квантового газа приводит к тому, что энергетический уровень электрона в изолированном атоме расширяется в кристалле в широкую энергетическую полосу — зону разрешенных значений энергии электронов шириной порядка нескольких электрон-вольт. Возможные значения энергии электронов в пределах разрешенной зоны квантованы, т. е. дискретны, а общее их число конечно.

Разрешенные зоны отделены друг от друга зонами запрещенных значений энергии электронов. Ширина запрещенной зоны может быть различной: от десятых до нескольких электрон-вольт.

Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.

Разрешенную зону, возникшую из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии изолированного атома, называют валентной зоной.

В металлах при обычных условиях валентная зона заполнена электронами не полностью (рис. 88.1, где черные кружки означают электроны, а горизонтальные линии — энергетические уровни. На каждом уровне могут находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами). При включении электрического поля электроны приобретают дополнительную энергию и становятся носителями электрического тока. Поэтому в металлах валентную зону называют зоной проводимости.

В отличие от металлов у полупроводников и диэлектриков валентная зона при обычных условиях полностью заполнена электронами (рис. 88.2). Для того чтобы увеличить энергию электрона, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны . У диэлектриков величина настолько велика (несколько электрон-вольт), что тепловое движение не может перевести в свободную верхнюю зону заметное число электронов и создать в ней зону проводимости. Диэлектрики при включении электрического поля не имеют носителей электрического тока.

Рис. 88.1

Рис. 88.2

У полупроводников величина невелика (несколько десятых электрон-вольт). С повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости. 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 электрического поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического тока. Кристалл становится проводящим.

Поиск по сайту: