Понятие о зонной теории кристаллов.

В твердом теле (кристалле) соседние атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними происходит взаимодействие. При этом на электроны влияют не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов, вследствие чего характер движения электронов изменяется. Взаимодействие многих атомов вызывает смещение и расщепление энергетических уровней электронов. При объединении в твердом теле N одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на N близко расположенных друг к другу энергетических уровней, которые образуют энергетическую зону.

Энергетические зоны разделены промежутком, не содержащим энергетических состояний. Такой энергетический промежуток принято называть запрещенной зоной. Запрещенные зоны соответствуют таким значениям энергии, которыми электрон не может обладать. При дальнейшем сближении атомов наступает перекрытие энергетических зон, т.е. заполнение запрещенной зоны. Уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий, образуют в твердом теле заполненные зоны. Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются не занятыми при температуре абсолютного нуля, составляют в твердом теле свободную зону. Ее нижнюю часть называют зоной проводимости, поскольку уровни, входящие в нее, могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию при нагреве или другим путем. Шириной запрещенной зоны определяется электропроводность материала. Следовательно, проводимость того или иного вещества определяется той энергией, которую нужно сообщить валентным электронам, чтобы они могли перейти со своего нормального энергетического уровня на высший энергетический уровень, соответствующий зоне проводимости. При этом электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными. Такая энергетическая структура твердых тел позволяет объяснить физическую сущность разделения их на проводники, полупроводники и диэлектрики.

У проводников зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга, т.е. запрещенная зона отсутствует и валентные электроны легко переходят в зону проводимости.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика, и, следовательно, для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию (не менее 3 эВ).

Для полупроводников запрещенная зона относительно невелика (примерно 0,5-3 эВ), и под действием внешних факторов (тепло, свет, электрическое поле и т.п.) электроны за счет изменения запаса энергии могут перейти из нормальной зоны в зону проводимости. Электропроводность полупроводника неустойчива и сильно зависит от внешних факторов. Следует помнить, что понятие энергетический уровень или энергетическая зона характеризует только энергетическое состояния электрона, а не геометрическое расположение его в теле.