Вопрос 2

Деление электротехнических материалов (материалов, обладающих определенными свойствами по отношению к электрическому и магнитному полям и применяемые в электронной техники с учетом этих свойств) на диэлектрики, проводники и полупроводники наиболее наглядно объясняется энергетическими диаграммами зонной теории твердого тела (рис. 1).

энергия А

Б

Рис. 1 - Схематическое изображение зонной теории твердого тела: А. Схема расположения энергетических уровней: I - для уединенного атомарного элемента: 1 - энергетические уровни атома в нормальном состоянии; 2 - возбужденная зона; II - для твердого (кристаллического) тела: 3 - валентная или заполненная электронами зона; 4 - запрещенная зона или зона запрещенной энергии; 5 - свободная зона или зона проводимости; Б. Энергетические диаграммы: а - диэлектриков; b - полупроводников; c - проводников. 1 - валентная зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости

Область, которую занимают электроны, осуществляющие связь, называется валентной зоной, в ней общая энергия меньше или равна энергии связанных электронов. Участок, незанятый электронами и расположенный выше валентной области, называется зоной проводимости, в которой общая энергия больше или равна энергии электронов проводимости. В зависимости от электронного строения элементов и симметрии кристаллической решетки валентная и свободная области могут перекрывать или не перекрывать друг друга. Участок, в котором общая энергия системы равна разности между энергиями связанных электронов и электронов проводимости, называется запрещенной зоной или зоной запрещенных энергий. В соответствии с характером расположения и заполнения этих участков электронами диэлектриками являются вещества с большой по ширине запрещенной зоной, проводниками, не имеющие этой зоны, а полупроводниками в промежутке между первыми и последними. Ширина запрещенной зоны Е диэлектриков составляет более 3 эВ, полупроводников лежит в интервале от 0,1 до 3 эВ.

(Дополнение)

Алмаз является кристаллическим веществом. Основной тип химической связи в его кристаллах ковалентный. Ширина запрещенной зоны Е равна 5,7 эВ. Электроны углерода полностью заполняют валентную зону. Переход электронов из нее в область проводимости требует большой энергии возбуждения, которая в обычных условиях не реализуется, поэтому алмаз является диэлектриком.

Кремний обладает такой же кристаллической структурой, что и алмаз. Поэтому в его кристалле валентная область заполнена полностью. Но ширина зоны запрещенных энергий в данном случае равна всего лишь 1,12 эВ. Вследствие этого, при небольшом возбуждении валентные электроны спокойно преодолевают запрещенную зону и переходят в зону проводимости. Поэтому кремний является полупроводником.

У элементов типа натрия и меди на внешнем электронном уровне имеется лишь один s-электрон, способный участвовать в образовании связи. Поэтому в их кристаллах валентные зоны, построенные из s-атомных орбиталей, заполнены только наполовину. На основании этого, при незначительном возбуждении энергетическое состояние каждого из электронов будет меняться в пределах всей энергетической области. Это имеет место, например, при приложении к металлам электрического поля. При этом электроны начинают двигаться в направлении поля и определяют способность металлов проводить электрический ток.