Физико-химические основы РЭС - 15 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

соответствующие различным значениям магнитного
m
и спинового числа
m
S
, совпадают. Электрон в
отдельном атоме не может менять свою энергию под действием электрического поля, поэтому газы яв-
ляются хорошими изоляторами (при умеренном напряжении).
При образовании кристалла отдельный энергетический уровень электрона в изолированном атоме
расширяется в широкую полосу – зону разрешённых значений энергии электронов (порядка единиц
электрон-вольт). Разрешённые энергетические зоны отделены друг от друга запрещёнными зонами зна-
чений энергии электронов (рис. 5.1,
в
). Разрешённая зона тем шире, чем больше энергия электрона на
соответствующем уровне в изолированном атоме. Возможные значения электронов квантованы, т.е.
дискретны, а общее их число конечно.
В кристалле, состоящем из
N
атомов, уровню энергии изолированного атома соответствует зона,
состоящая из (2
l
+ 1)
N
дискретных уровней, на каждом из которых может находиться не более двух
электронов с антипараллельными спинами. Шаг дискретности для 1 Моль кристаллического вещества
(
N
= 6,02 ⋅ 10
23
атомов) составляет энергию порядка 10
–23
эВ. Для электронов внутренних оболочек ато-
мов вероятность туннельного перехода электрона от одного атома к другому оказывается очень малой.
Это связано с уменьшением прозрачности потенциального барьера, в результате чего частота просачи-
вания электрона сквозь потенциальный барьер оказывается ничтожно малой.
Тип кристаллической решётки и расстояние между атомами определяют характер и величину расши-
рения энергетических зон. Поэтому некоторые полиморфные вещества могут при одном расстоянии меж-
ду атомами (положение I на рис. 5.1,
в
) быть изоляторами (алмаз), а если разрешённые зоны перекрыва-
ются в процессе расщепления (положение II на рис. 5.1,
в
), то образуется гибридная зона
∗
p
E
, и вещество
ведет себя как проводник.
В зонной теории твёрдого тела различия в электрических свойствах разных типов твердых тел объ-
ясняются различным заполнением разрешённых энергетических зон. Поэтому все кристаллы можно
разделить на две большие группы – проводники и непроводники.
В проводниках при абсолютном нуле валентная зона заполнена электронами не полностью, поэтому
при воздействии даже самого слабого электрического поля электроны могут ускоряться в нём и перехо-
дить на более высокие уровни (рис. 5.2,
а
). Поэтому в проводниках валентная зона
V
одновременно яв-
ляется зоной проводимости
C
(расположенные выше следующая разрешённая и запрещённая зоны со-
вершенно не влияют на электропроводность!).
В непроводниках (полупроводниках и изоляторах) при абсолютном нуле все разрешённые уровни
валентной зоны
V
заполнены полностью электронами (рис. 5.2,
б
,
в
). Для перехода электрона из нижней
разрешённой энергетической зоны в верхнюю необходима энергия, равная ширине запрещённой зо-
ны
E
g
, лежащей между ними (рис. 5.2,
б
):
E
g
= E
c
–
E
v
,
где
E
g
– ширина запрещённой зоны;
E
c
– дно зоны проводимости;
E
υ
– потолок валентной зоны. Поэто-
му при 0 К (–273 °С) и полупроводник и изолятор не могут пропускать электрический ток – при этой
температуре в них нет электронов, способных ускоряться в электрическом поле.
При нагревании непроводников атомы и электроны будут получать тепловую энергию
Q
≈
kT
, где
k
–
постоянная Больцмана,
T
– температура. Если она окажется больше ширины запрещённой энергии
Q
>
E
g
, то электрон,
Рис. 5.2. Зонная структура кристаллов:
а
– проводники;
б
– полупроводники;
в
– изоляторы
Q > E
g
а
)
б
)
в
)
V
=
C
V
V
C
C
E
c
E
v
Q > E
g
n
р
c
υ

Страницы