6.2. Диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және өткізгіштер

Электрондармен аймақтардың толу сипаты заттың өткізгіштік механизмін анықтайды және заттардың диэлектриктер мен өткізгіштерге бөлінуін түсіндіреді.

Ең алдымен аз энергиялы аймақтар толады, олар толығымен толтырылған болады. Толығымен толған бірақ үлкен энергиялы аймақ валенттік аймақ деп аталады. Одан кейінгі өткізгіштік аймақ деп аталатын аймақ толмаған немесе ішінара толған болады (6.7-суретті қара). Толмаған аймақ жартылай өткізгіштер және диэлектриктер жағдайына сай, ал ішінара толған аймақ өткізгіштерге сәйкес.

6.7-сурет - Заттағы энергетикалық аймақтардың толу сұлбасы

Өткізгіштер. Егер өткізгіштік аймағы ішінара толған болса, онда мұндай заттар өткізгіштер деп аталып, токты жақсы өткізеді, бұл электрондардың сыртқы электр өрісінде күйлер бойынша қайта орналасуы мүмкіндігімен қамтамасыз етілген.

Диэлектриктер. Егер өткізгіштік аймағы толық толса, онда ондағы бос емес күйлер симметрия центріне ие Бриллюэн аймағын толық толтырады; жақын бос емес күйлер келесі аймақта болады және бос емес күйлерден энергиясы бойынша шамасына, яғни тыйым салынған аймақ еніне ерекшеленеді. ретті жылулық қозғалыс энергиясы қайта топтасуға жетпейді.Сондықтан электр тогының пайда болуын қамтамасыз ететін күйлер бойынша электрондардың қайта топтасуы іске аспайды. Осылайша, толық толған аймақ заттың электрөткізгіштігіне үлес қоспайды. Мұндай заттар диэлектриктер деп аталып электр тогын нашар өткізеді.

Жартылай өткізгіштер. Егер алдыңғы жағдайда (диэлектриктер) тыйым салынған аймақтың ені өте үлкен емес, мысалы 10 құраса, онда электорондардың бір бөлігі жылулық қозғалыс нәтижесінде толық толған аймақтан өткізгіштік аймаққа «өтеді». Мұндай жағдайда валенттік аймақта еркін күйлер кемтіктер, ал өткізгіштік аймағында электрондар алатын болады. электрондар өткізгіштік аймағында да валенттік аймақта да 52-суретте көрсетілгендей сыртқы электр өрісінде күйлер бойынша қайта толтырылу мүмкіндігіне ие болады. Дегенмен, өткізгіштік аймақтағы электрондар және валенттік аймақтағы кемтіктер аз болатындықтан мұндай жартылай өткізгіштер деп аталатын зат салыстырмалы түрде электр тогын нашар өткізеді.

Енді қандай заттардың өткізгіштер, диэлектриктер және жартылай өткізгіштер болатындығын қарастырамыз.

Сілтілік және асыл металдар білетініміздей, бір валентті электронға ие. Оларда ең үлкен энергиялы аймақ жартылай толады, бұл 6.6 және 6.8 суреттегі схемаға сәйкес. Мұндай металдар электр тогын жақсы өткізеді.

Төрт валентті көміртегі (алмаз) өткізгіштік аймақтан 5 эВ шамаға тыйым салынған аймақтан бөлінген толық толған валенттік аймаққа ие; алмаз жақсы изолятор болып табылады. Диэлектриктер болып табылатын иондық кристалдар да толығымен толған валенттік аймаққа ие атомдардан тұрады.

6.8-суретте жартылай өткізгіштер, диэлектриктер және өткізгіштер жағдайында аймақтардың толу тұрпаты сызбанұсқа түрінде келтірілген.

6.8-сурет - Өткізгіштер, диэлектриктер және жартылай өткізгіштер жағдайында электрондармен аймақтық толуы.

Төртвалентті кремний және германий өткізгіштік аймағынан 1,2 және 0,7 эВ шамаға тыйым салынған аймақпен бөлінген толықталған валенттік аймаққа ие, бұл энергиялар бөлме температурасында 10 құрайды, электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтеді; кремний және германий ең кең таралған жартылай өткізгіштер. Германийдің электрөткізгіштігі қыздырғанда кремнийдікіне қарағанда тез артады, себебі германийдің тыйым салынған аймағының ені кремнийдікіне қарағанда аз.

Сілтілі жер элементтері екі валенттік электронға ие, олардың аймағы толығымен толуы керек, дегенмен осы металдардың аймағы үлкен сыйымдылыққа ие, жалпы аймақтаың түзілуімен жабылады, осының салдарынан үлкен энергиялы аймақтар жартылай толады, ал сілтілі жер металдарының өзі өткізгіштер болып табылады екен.