Зонна структура металів, діелектриків, напівпровідників

Заповненість дозволених енергетичних зон електронами визначає електрофізичні властивості твердих тіл. На рис.2 схематично зображено зонну структуру різних за властивостями твердих тіл поблизу зони провідності.

а б в г

Рис.2. Схематичне зображення зонних структур та їх заповнення при К метала (а), діелектрика (б), власного напівпровідника (в). Розташування домішкових енергетичних рівнів у напівпровіднику (г).

Зоні провідності на рис.2 відповідають значення енергії , валентній зоні значення енергії , розділені вони забороненою зоною шириною .

За характером заповнення валентної зони електронами всі тверді тіла можна розділити на дві основні групи.

До першої групи відносяться тіла, у яких над повністю заповненою валентною зоною знаходиться частково заповнена зона провідності (рис.2а). При К вільні всі рівні вище деякої енергії , яка має назву енергія Фермі (рівень Фермі). Нижче всі можливі енергетичні стани зайняті, отже при К всі явища, пов’язані із рухом електронів, відсутні.

Якщо прикласти електричне поле, або нагріти тверде тіло, то електрони, набуваючи енергію, матимуть можливість переходити на вільні енергетичні рівні і зможуть приймати участь в явищах теплопровідності, електропровідності, тощо. Тверде тіло, яке має таку верхню частково заповнену зону, виявлятиме властивості металу.

Частково заповнена зона виникає, коли атомний рівень, з якого вона утворилась, заповнений лише частково, що має місце, наприклад, у лужних металів. Також частково заповнена зона може виникати внаслідок накладання повністю заповнених зон на порожні, як у лужноземельних елементів.

Інакше поводять себе елементи або хімічні сполуки, у яких є тільки повністю заповнені і вільні від електронів зони (рис.2б), причому ширина забороненої зони набагато більша за ( 1,38×10^-23 Дж/К – стала Больцмана), тобто за середню енергію теплового руху. В цьому випадку нагрівання або прикладання зовнішнього електричного поля не приведе до появи електронів у зоні провідності, речовина буде ізолятором (діелектриком).

Електропровідність у діелектрику може виникнути тільки тоді, коли до кристалу підводиться енергія, достатня для збудження електронів із валентної зони у вільну зону провідності. Цю енергію можна підводити, наприклад, опромінюючи кристал ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, квант енергії яких ( 6,62×10^-34 Дж×с – стала Планка, частота) більший за , яка зазвичай у діелектриках більша за 3 еВ. При цьому у вільній зоні провідності з’являються електрони, здатні під впливом зовнішнього електричного поля створити струм. Одночасно в заповненій валентній зоні з’являються вакансії, так звані “дірки”. В результаті електрони валентної зони можуть переміщуватися, заповнюючи ці вакантні місця, та приймати участь у переносі струму. Відтак виникає фотопровідність діелектрика.

Проміжний стан між металами і діелектриками займає клас речовин, в яких при К є тільки повністю заповнені і повністю вільні від електронів зони, але ширина забороненої зони співрозмірна з (рис.2в). В таких речовинах можливе термічне збудження електронів в зону провідності. Являючись ізоляторами при К, ці речовини набувають електропровідності при , яка зростає із збільшенням температури. Такі речовини одержали назву напівпровідники. Велику роль в їх електропровідності відіграють домішки.