1.2. Зонная теория твердых тел

В зависимости от величины электропроводимости все тела могут быть отнесены к группе проводников, полупроводников или диэлектриков. Различие между этими группами объясняется зонной теорией. Атомная физика свидетельствует о возможности нахождения атомов вещества в различных энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на другие, более высокие, уровни электроны переходят только тогда, когда атому сообщается дополнительная энергия извне. Наоборот, при переходе электрона на более низкий энергетический уровень атом излучает избыток энергии.

Зона энергетических уровней, заполненная электронами, тесно связанными с ядром атома, называется валентной зоной. Электроны этой зоны не являются свободными зарядами и не участвуют в образовании электрического тока.

Зона свободных энергетических уровней, называемая также зоной проводимости, соответствует электронам, которые могут свободно перемещаться и под действием электрического поля создавать электронную проводимость материала.

Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной, ширина которой различна для различных материалов. Ширина запрещенной зоны определяется уровнем дополнительной энергии, которую необходимо сообщить атому для перевода электрона в свободное состояние. Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается обратным процессом возврата электронов в валентную зону. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество образовавшихся свободных электронов становится равным числу электронов, возвращающихся в валентную зону. С повышением температуры число свободных электронов возрастает, а с понижением до абсолютного нуля - убывает. Энергию, необходимую для перевода электрона на более высокие энергетические уровни можно получить за счет нагрева, облучения световым потоком, радиоактивного облучения, воздействия электрического или магнитного поля, а также механического воздействия на вещество.

Вещества, относящиеся к диэлектрикам, имеют широкую запрещенную зону, поэтому в нормальном состоянии они практически не обладают электропроводностью. Но если диэлектрик подвергнуть энергетическому воздействию, например, нагреть, его электропроводность возрастет.

Вещества, относящиеся к проводникам, имеют пересекающиеся валентную зону и зону проводимости, поэтому даже при низких температурах в веществе находится значительное число свободных носителей тока. Металлы обладают электропроводностью даже при температуре абсолютного нуля. Кроме того, при низких температурах их электропроводность выше за счет того, что уменьшается тепловое движение молекул, препятствующее движению носителей заряда.

Полупроводники обладают запрещенной зоной, но ее ширина не велика и электроны легко преодолевают ее при незначительном внешнем энергетическом воздействии.

Таким образом, зонная теория твердых тел объясняет разницу в электропроводности веществ различной шириной запрещенной зоны.