Четыре типа энергетических (зонных) диаграмм твердого тела.

На основе представлений зонной теории можно выделить четыре типа энергетической структуры твердого тела, различающихся степенью запол-нения зон электронами и шириной запрещенных зон.

Эта ситуация иллюстрируется рис. 2.2.1.

На рис. 2.2.1,а самая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т.е. в них имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую добавку энергии (например, за счет тепловой энергии или электрического поля), сможет перейти на более высо-кий энергетический уровень той же зоны и стать свободным. В этом случае он может участвовать в проводимости. Т.о. если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. А так же и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной проводимости, что в конечном счете приводит к образованию единой незаполненной зоны. Этот рисунок иллюст-рируется рис. 2.2.1,б. Такая энергетическая структура характерна для щелочноземельных элементов, образующих вторую группу таблицы Менделеева (бериллий, марганец, цинк и т.д.). Образованная таким образом зона называется гибридной.

Помимо рассмотренного перекрытия зон возможно также перераспределение электронов между зонами, образованными из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо двух частично заполненных зон в кристалле окажутся одна полностью заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела у которых энергетический спектр электронных состояний построен только из валентной зоны и зоны проводимости могут быть либо диэлектриками, либо полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны Δ Е.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-Вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах (Рис.2.2.1,в).

 

Если ширина запрещенной зоны имеет ширину порядка одного электрон-Вольта, то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко, либо путем теплового возбуждения, либо за счет другого внешнего источника, способного сообщать электронам энергию Δ Е. В этом случае кристалл является полупроводником (Рис. 2.2.1,г).

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при температуре 0 К в зоне проводимости метал-лов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутст-вуют. Различие же между диэлектриком и полупроводником определяется шириной запрещенных зон. При температурах близких к 0 К полупроводник становится диэлектриком, так как теплового переброса электронов в зону проводимости не происходит, но с повышением температуры растет его проводимость.

Резюме по теме:

В процессе изучения темы мы ознакомились с элементами зонной тео-рии твердого тела и понятиями квантовой механики лежащими в их основе.

Вопросы для повторения:

1. Перечислите положения квантовой механики легшие в основу современных представлений о строении атома.

2. Объясните, как изменяется энергетический спектр при образовании твердого тела из группы отдельных атомов.

3. Что такое зона проводимости? Как она образуется?

4. Перечислите 4 типа зонных диаграмм и дайте подробное описание каждой из них.