8. Зонная структура металлов.
Металлы
отличаются от диэлектриков и полупроводников
тем, что у них зона проводимости при
температуре абсолютного нуля частично
заполнена. Рассмотрим электрическую
проводимость металлов на основе зонной
теории. У металлов зона проводимости
непосредственно примыкает к валентной
зоне. Поэтому валентные электроны могут
легко разрывать связь с атомами
кристаллической решётки и переходить
в зону проводимости. Тогда они могут
участвовать в направленном движении
под действием внешнего электрического
поля, вызывая электрический ток.
Практически каждый атом металла отдает
в эту зону, по крайней мере, один электрон.
Поскольку число электронов проводимости
не меньше числа атомов, металлы являются
хорошими проводниками электрического
тока в широком интервале температур.
Как уже отмечалось, электроны проводимости
движутся по металлу в поле всех ионов
и электронов и могут перемещаться на
заметные расстояния. Поэтому их можно
рассматривать с хорошей степенью
точности как электронный газ. В состоянии
термодинамического равновесия при
температуре Т ≠ 0 распределение электронов
по энергетическим уровням описывается
статистикой Ферми – Дирака
где pi - вероятность нахождения электрона в квантовом состоянии с энергией Ei; EF - энергия уровня Ферми. Уровень Ферми – некоторый условный уровень энергии электронов в твердом теле, соответствующий значению энергии EF , ниже которой все энергетические уровни при абсолютном нуле температуры заняты, а состояния с энергией Ei > EF - свободны.
Из формулы следует, что при абсолютном нуле температуры все энергетические уровни ниже уровня Ферми заняты электронами, а все уровни выше уровня Ферми свободны (рис. 2.3). Кроме того, для металлов уровень Ферми при T 0 находится в зоне проводимости, а энергия Ферми равна максимальной энергии электрона при T 0 . Часть электронов за счет энергии теплового движения атомов может иметь энергию больше энергии Ферми.
9.Зонная структура полупроводников.
В
том случае, если полностью занятая
электронами зона разделена с ближайшей
разрешенной зоной узкой запрещенной
зоной, то такое вещество является
диэлектриком только при температурах
вблизи абсолютного нуля. При повышении
температуры электроны, которые
локализованы около верхней границы
занятой зоны, могут перейти в верхнюю
вакантную зону. Это требует затраты
энергии, которая не меньше, чем ширина
запрещенной зоны(
).
На рис. 3 изображено расположение
энергетических зон полупроводника и
диэлектрика.
- энергия равная энергии активации
собственной проводимости. Переход
электронов в верхнюю зону ведет к
возникновению собственной проводимости
полупроводников. С ростом температуры
у чистых полупроводников увеличивается
количество электронов, которые перешли
в свободную зону, соответственно,
уменьшается сопротивление полупроводника.
Переход электронов в свободную зону
образует в заполненной зоне вакантные
места. В так образуются дырки. При
воздействии поля или нагревании на
места дырок могут переходить другие
электроны.
