Энергетические зоны в кристаллах

Отдельный атом имеет линейчатый спектр излучения или поглощения, т.е. дискретную структуру энергетических уровней. Такая структура определяется из уравнения Шредингера для валентного (внешнего) электрона. Если объединяются два атома, валентные электроны каждого из них попадают электрическое поле соседа, вследствие чего их энергетическая структура получит дополнительные уровни. Энергетические уровня «расщепляются».

В кристалле каждый атом находится в окружении множества соседних атомов и его энергетические уровни расщепляются на множество уровней, таким образом, что образуется практически сплошная энергетическая зона. Энергетические зоны электронов, находящихся у своих атомов, называется валентной зоной.

Если внешний электрон, вследствие каких либо причин, оторвался от своего атома, то он все равно испытывает воздействие как своего, так и других атомов и его энергетическая структура состоит из множества уровней, объединенных в зону. Энергия электронов этой зоны больше, чем энергия электронов валентной зоны, так как они могут оторваться от своих атомов, только имея большую энергию. Энергетическая зона электронов, оторвавшихся от своих атомов, называется свободной зоной или зоной проводимости.

Если валентная зона и зона проводимости не соприкасаются, то расстояние между ними называется запрещенной зоной. Электрон может находиться у своего атома, т.е. в валентной зоне, он может оторваться от своего атома и находиться в зоне проводимости. Значит ширина запрещенной зоны – это энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он оторвался от своего атома и стал свободным в кристалле.

Если в зонной структуре кристалла существует запрещенная зона, то этот график должен принять следующий вид:

(рисунок- график – парабола с разрывом).

Понятие энергетических зон в кристаллах позволяет разделить все вещества на три типа. Первый – это вещества, в зонной структуре которых отсутствует запрещенная зона. Энергия отрыва электрона от своего атома равна нулю. Это явление имеет место у металлов - проводников, которые хорошо проводят электрический ток, так как их кристаллы состоят из положительных ионов, погруженных в электронный «газ».

(рисунок)

У диэлектриков подавляющая часть электронов находится у своих атомов и для того, чтобы оторвать их необходимо затратить значительную энергию. Их энергетическая структура имеет ярко выраженную запрещенную зону.

(рисунок)

Если ширина запрещенной зоны невелика и имеет величину порядка энергии тепловых колебаний, т.е.

,

то вещество называется полупроводником. У полупроводников электроны могут покидать свои атомы под действием тепловых колебаний.

Дата добавления: 2015-04-24