Физическая электроника Введение
Электроника – область науки и техники, имеющая дело с прохождением электрического тока через вакуум, газы, твердые тела, где электроны являются практически единственными носителями тока или играют среди них важнейшую роль.
Физическая электроника – дисциплина, изучающая явления, лежащие в основе работы электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов, такие как электронная эмиссия, электронная баллистика, электрический ток в газах, физика полупроводников и металлов.
Тема: Основы зонной теории твердых тел
В основе электронной теории твердых тел лежит зонная теория, объясняющая электрические свойства металлов, диэлектриков и полупроводников.
1. Зоны разрешенных значений энергии в кристалле
Рассмотрим поведение электронов в идеальной кристаллической решетке металла (правильная бездефектная структура, без примесей, без тепловых колебаний). В таком кристалле ионы создают идеально периодическое распределение потенциала. Пусть валентный электрон движется в силовом поле кристалла натрия (Na). Расположим ионы Na в узлах кристаллической решетки кристалла натрия так, чтобы расстояния между ионами Na были велики и взаимодействием между ними можно было пренебречь. Тогда каждый рассматриваемый электрон будет находиться возле своего иона бесконечно долго так как его удерживает потенциальный барьер кулоновского поля иона.
Рис. 1. График зависимости потенциальной энергии U электрона от расстояния х от иона натрия
При сближении ионов до нормальных расстояний потенциальные кривые накладываются друг на друга и дают следующую результирующую кривую потенциальной энергии:
Для натрия получилось так, что потенциальный барьер оказался ниже первоначального положения уровня валентного 3s-электрона. В таком случае этот электрон беспрепятственно передвигается по кристаллу. Его волновая функция делокализуется на весь кристалл. Это означает, что электроны обобществляются – каждый из них теперь принадлежит всему кристаллу.
Даже если потенциальные барьеры понизились не настолько, чтобы они оказались ниже первоначального уровня валентного электрона в отдельном атоме, обобществление все равно происходит. Это происходит благодаря туннельному эффекту. Вероятность туннельного эффекта, однако, быстро уменьшается с ростом высоты и ширины барьера. Так что у электронов глубоких уровней возможность перемещения оказывается сильно ограниченной.
Обобществленные электроны в кристалле похожи на свободные электроны. Они могут перемещаться по кристаллу в различных направлениях и с различными скоростями. Вследствие этого различия и энергии различных электронов будут различными: произойдет размытие узкого энергетического уровня в зону разрешенных значений энергии. Чем бо́льшие скорости будут иметь электроны, тем шире эта зона (вероятность туннельного эффекта высокая) и, наоборот, чем меньшие скорости будут иметь электроны, тем у́же образовавшаяся зона (вероятность туннельного эффекта низкая). Таким образом, получается, что из глубоких энергетических уровней атомов образуются узкие энергетические зоны, а из верхних – широкие. Последние даже могут перекрываться!
