fon1

Энергетические зоны электронов.

Еще в начале 20 века были открыты явления в твердом теле, которые нельзя объяснить «классической» моделью атома. Есть явления, при которых электроны ведут себя не как частицы, а как волны.
Всю эту их «двойственность» объясняет квантовая теория тем, что они обладают одновременно как свойствами частиц, так и волн. Поэтому, энергетическое состояние частиц, включая и электроны, не может быть произвольным, а подчиняется законам квантовой механики. Другими словами, они не могут двигаться вокруг ядра произвольно, а только по строго определенным орбитам и могут получать или отдавать строго определенные «порции» энергии, называемые квантами.
Электрические свойства полупроводников также не могут быть полностью объяснены законами классической физики. Поэтому далее кратко познакомимся с зонной теорией - частью квантовой механики, которая объяснит эти "нестыковки".

Из классической физики мы знаем, что электроны вращаются вокруг атомного ядра по определенным орбитам. При их движении центробежная сила уравновешивается силой притяжения между положительным ядром и отрицательными электронными зарядами. Находясь на заданной орбите, они обладают определенной энергией - основной характеристикой, определяющая его поведение.
Одним из основных положений квантовой механики состоит в том, что эта энергия может иметь только определенное значение. И эти возможные значения, которые может принять электрон называется энергетическими уровнями. Для того, чтобы электрону перейти из более низкого энергетического уровня на более высокий, ему потребуется дополнительная энергия извне. И наоборот, при переходе от более высокого на более низкий энергетический уровень, он будет ее отдавать.

Энергетические уровни отображаются графически в виде горизонтальных линий, как показано на рис.1.
Обращаем внимание, что это не прямоугольная система координат, т.е. только по вертикальной оси отложены энергетические уровни. Низшая линия соответствует наименьшей энергетический уровень, а интервалы между линиями соответствуют запрещенным значениям энергии.
Например, чтобы перейти с первого энергетического уровня на второй, электрон должен получить извне энергию, равную разности этих двух энергетических уровней, т.е.
ΔW=W2-W1.
elektron zona1 Электроны занимают разные энергетические уровни потому, что по принципу Паули любой энергетический уровень может быть занят максимум только двумя электронами с противоположными спинами (магнитными моментами).
Так происходит с отдельными атомами, когда они не связаны между собой. В случаях, когда атомы участвуют в построении материи, допустим - кристаллов, где они расположены близко друг к другу, электроны испытывают воздействие не только собственного ядра, но и соседних ядер с другими энергетическими состояниями. По отношению к своим собственным ядрам они находятся как-бы в «благоприятном» положении, а с другими ядрами эти отношения более сложные.
Из принципа Паули можно сделать вывод, что во всем кристалле не может быть двух электронов с одинаковой энергией, независимо от количества атомов в кристалле. Следовательно, энергетические уровни (которые существуют в изолированных атомах) в кристаллах разделены и образуют энергетические зоны (W1 ÷ W5) (рис.1).
Фактически каждая зона состоит из уровней, число которых равно числу атомов в кристалле,которые очень близки друг от друга. Разница между самым высоким и самым низким энергетическим уровнем зоны называется шириной полосы пропускания, которая измеряется в единицах eV (электронвольт).

Между энергетическими зонами есть интервалы, которые никогда не могут быть заняты электронами данного элемента и называются запрещенными зонами. Чтобы электрон переместился из низкой в более высокую зону, он должен получить энергию большую, чем ее ширина.
Электроны в валентной зоне имеют относительно небольшую энергетическую величину, не позволяющая им оторваться от атома. В результате теплового движения атомов валентные электроны испытывают удары и могут увеличить эту величину. Если дополнительная энергия, которые они получили, меньше ширины запретной зоны, они не покидают атом и продолжают оставаться валентными.
Если дополнительная энергия больше ширины запрещенной зоны, то тогда они переходят в зону проводимости и превращаются в свободные электроны, которые определяют электропроводность вещества.
Твердые тела делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики на основе электропроводности. А это означает, что разделение этих веществ происходит из-за их различной ширины запрещенных зон.
Ширина запрещенной зоны обозначается ΔWз и зависит от структуры кристаллической решетки вещества. При различной проводимости ΔWз имеет разные значения. Чем она больше, тем труднее валентным электронам оторваться от атомов и стать свободными.
Например, кремний имеет ΔWз = 1,12 eV, а германий - ΔWз = 0,72 eV, то есть кремнию требуется больше энергии, чтобы его валентные электроны оторвались и превратились в свободные.
Для диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет от 3 до 15 eV. Это означает, что их валентные электроны очень сильно связаны с атомами и чтобы стать свободными им нужно получить много энергетического воздействия извне. На рис.2а видно, что запрещенная зона у диэлектриков очень широкая.
elektron zona2 У полупроводников ширина запрещенной зоны меньше (рис.2б), - от 0,5 до 3,0 eV. Это значит, что валентные электроны полупроводников не так сильно связаны с атомами и не нуждаются в особой дополнительной энергии, чтобы стать свободными.
В металлах валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга (рис. 2в). Валентные электроны, даже не получая энергии извне, находятся в зоне проводимости, т.е. отрываются от атомов и становятся свободными.
Ясно, что ширина запрещенной зоны - важная особенность твердых тел. Она играет важную роль в теории полупроводников.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet