1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов

Из курса физики известно, что каждый электрон в отдельном атоме (не взаимодействующем с другими атомами) находится на строго определенной орбите. Орбиты электронов группируются в слои (оболочки). Движение электрона по орбите описывается четырьмя квантовыми числами. Каждой орбите соответствует определенный энергетический уровень (энергия связи с ядром). Расположение энергетических уровней определяется квантовыми числами (главным - n, орбитальным - l , орбитальным магнитным - m_l). Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может быть не больше двух электронов (с разными спиновыми квантовыми числами m_S). При образовании кристалла (при сближении атомов) вследствие взаимодействия, размещенные энергетические уровни отдельного атома расщепляются на большое число дискретных уровней, расположенных очень близко и образующих зоны разрешенных энергетических уровней (рис.1.1). При этом каждому разрешенному уровню в одиночном атоме соответствует зона разрешенных энергетических уровней в кристалле. Между зонами разрешенных уровней расположены запрещенные зоны, в которых нет разрешенных уровней энергии для электронов. Таким образом, линейчатый энергетический спектр одиночного (свободного) атома превращается в зонный спектр (с запрещенными и разрешенными зонами) в твердом теле. Расположение зон в кристалле определяется строением атомов и расстоянием между атомами (r_o на рис.1.1). При этом близкие к ядру уровни (1s,2s,2p) не взаимодействуют на расстоянии r_o и их уровни не расщепляются. В невозбужденном состоянии (Т=0К) электроны заполняют ближайшие к ядру уровни (низкие уровни на рис.1.1).

Рис. 1.1

Зоны, в которых все уровни заняты в невозбужденном состоянии, называют заполненными зонами. Верхняя заполненная зона именуется валентной зоной (она заполнена валентными электронами). Следующая за валентной (от ядра) зона уровней, не занятых (или частично занятых) при Т=0К, называется зоной проводимости (находясь на уровнях зоны проводимости, электроны могут участвовать в проведении электрического тока).

Рис. 1.2

Электропроводность кристаллов определяется взаимным расположением валентной зоны и зоны проводимости. У диэлектриков (рис.1.2,а) валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной ∆W в 5-10 электрон-вольт. У полупроводников (рис.1.2,б) запрещенная зона ∆W не превышает 2 эВ (0,7 эВ - у германия и 1,1 эВ у кремния). У металлов либо валентная зона и зона проводимости перекрываются (рис.1.2,в), либо зона проводимости частично заполнена электронами (рис.1.2,г).

1.1.2. Прохождение тока через металлы

Металлы имеют кристаллическое строение. Все валентные электроны атомов обобщены и образуют "электронный газ". Обобщенные валентные электроны не имеют связи с конкретными атомами и могут легко перемещаться по металлу (находятся в зоне проводимости). Однако все вместе они нейтрализуют заряды всех ядер и в целом металл нейтрален. При отсутствии электрического поля ( = 0) электроны "электронного газа" совершают хаотические тепловые движения во всех направлениях с одинаковой вероятностью. Направленное движение электронов отсутствует.

При наличии электрического поля (  0) внутри кристалла на хаотическое движение накладывается направленное движение электронов под действием сил поля (дрейф электронов). Появляется постоянная составляющая скорости электронов - скорость дрейфа v_др, обусловленная воздействием электрического поля и взаимодействием с узлами решетки (одно полевызывает равноускоренное движение). Дрейфовую скорость при напряженности электрического поля в 1 В/см называют подвижностью электронов_n: