Металлы. Диэлектрики. Полупроводники.
Каждый энергетический уровень Еnl совокупности N изолированных атомов при их сближении и объединении в кристалл расщепляется за счет межатомного взаимодействия на N(2l + 1) тесно расположенных подуровней, образующих полосу, называемую разрешенной зоной энергии. В соответствии с принципом Паули (принципом запрета для фермионов) на каждом таком подуровне может разместиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами.
Т
По характеру заполнения энергетических зон электронами все твердые тела можно разделить на три класса.
Первый класс содержит только полностью заполненные электронами зоны и расположенные над ними полностью свободные от электронов зоны разрешенных значений энергии. На рис. занятые электронами зоны заштрихованы, свободные оставлены пустыми.
У второго класса тел над полностью заполненными нижними зонами располагается зона, заполненная электронами лишь частично;
У третьего класса тел полностью заполненная зона перекрывается с расположенной над ней свободной (незанятой электронами) зоной.
К первому классу относят, в первую очередь, химические элементы, атомы которых содержат только полностью заполненные электронные слои, как, например атомы инертных элементов (He, Ne, Xe), а также многие химические соединения, например, NаСl.
Ко второму классу твердых тел относятся химические элементы, атомы которых имеют незавершенные электронные слои валентных электронов, например атомы щелочных (одновалентных) металлов: Na, K и др.
Примерами тел, относящихся к третьему классу, являются химические элементы второй группы таблицы Менделеева. Например, у магния все электронные оболочки укомплектованы полностью и, казалось бы, он должен относиться к первому классу тел, однако, вследствие перекрытия зон 3S и 3Р каждая из них оказывается заполненной лишь частично.
Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энергетических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Это движение можно представлять себе как туннельное просачивание электронов сквозь узкие потенциальные барьеры, разделяющие соседние атомы кристаллической решетки. В твердых телах с полностью заполненными энергетическими зонами внешнее электрическое поле не может вызвать результирующего направленного перемещения электронов, то есть появления электрического тока, несмотря на наличие "свободных" электронов, способных двигаться, скажем, в тепловом движении по всему пространству кристалла. Внешнее электрическое поле не способно ускорить электроны, повысить скорость их направленного перемещения, так как для этого надо повысить их энергию, а все энергетические уровни в пределах зоны в кристалле заняты. Перебросить же электрон через запрещенную зону, внешнее поле не в состоянии. Для этого нужны чрезвычайно высокие значения напряженности. Поэтому в телах с полностью заполненными электронами зонами внешнее электрическое поле может вызывать лишь перестановку электронов местами без нарушения симметрии их распределения по скоростям. Таким образом, твердые тела с полностью заполненными электронами энергетическими зонами не проводят электрический ток и являются диэлектриками (изоляторами).
В кристаллах с частично заполненными энергетическими зонами внешнее электрическое поле способно вызывать ускоренное движение электронов, переводя их на свободные вышележащие энергетические подуровни в пределах данной зоны. Такие тела являются проводниками электрического тока. Внешняя энергетическая зона, заполненная электронами лишь частично и обусловливающая электропроводность кристалла, называется зоной проводимости.
Электропроводность кристалла возникает также и в случае, когда имеет место перекрытие полностью заполненной электронами энергетической зоны с вышележащей свободной, не занятой электронами зоной. Пример такого перекрытия был приведен выше (атом магния). Перекрывающиеся у него зоны, образованные из атомных уровней 3S и 3Р, образуют общую (гибридную) зону, способную вместить значительно больше электронов, чем их содержится в полностью заполненной зоне 3S.
Если верхняя энергетическая зона кристалла полностью заполнена электронами, но отделена от выше лежащей свободной зоны сравнительно узкой запрещенной зоной, то при абсолютном нуле температуры такой кристалл является диэлектриком. При повышении же температуры некоторое число электронов с "потолка" верхней зоны может забрасываться тепловым движением через узкую запрещенную зону на свободные энергетические уровни вблизи дна вышележащей разрешенной зоны. Эта зона станет частично заполненной электронами, а в ранее целиком заполненной зоне появятся дырки - свободные от электронов места. Для тел, у которых ширина запрещенной зоны не превышает 1 эВ, уже при комнатной температуре в свободной зоне оказывается достаточное число электронов, а в валентной зоне - дырок, чтобы обусловить заметную электропроводность. С повышением температуры число носителей тока в таких проводниках резко увеличивается. Такие тела называют полупроводниками