Зонная теория твердого тела

Зонная теория твердого тела (ЗТТТ) позволяет объяснить различную электронную проводимость проводников, полупроводников и диэлектриков.

Рассмотрим, для примера, электронную конфигурацию верхнего электронного слоя атома кремния (Si). Она имеет вид 3s²3p²3d⁰. В изолированных атомах, когда вещество находится в газообразном состоянии, электроны могут находятся на дискретных энергетических уровнях – нормальных (s и р) и возбужденном (d). Энергетические уровни разделены интервалами запрещенных значений энергии (рис.16.2).

Рис.16.2. Схема расположения энергетических уровней свободного атома

и энергетических зон неметаллического твердого вещества

При сближении атомов на расстояние d ₀ газообразное вещество переходит в твердое состояние. При этом, в соответствии с принципом Паули, в веществе не могут находится два электрона в одинаковом квантовом состоянии (с одинаковым набором квантовых чисел и с одним уровнем энергии). Поэтому энергетические уровни одинаковых электронов атомов расщепляются на N подуровней, где N – количество атомов в монокристалле или в зерне кристаллического вещества. Образуются так называемые энергетические зоны: валентная зона (ВЗ), где находятся валентные электроны и зона проводимости (ЗП), где могут находится свободные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между ВЗ и ЗП находится запрещенная зона (ЗЗ). Валентные электроны могут перейти в ЗП при условии:

E _эл > Δ E _зз,

где E _эл - энергия электрона, Δ E _зз- энергия ширина запрещенной зоны.

Проводники, полупроводники и диэлектрики имеют различные значения Δ E _зз (рис. 16.3).

(а) (б) (в) (г)

Рис. 16.3. Схема Δ E _зз расположения энергетических уровней в проводниках (а,б) полупроводниках(в) и диэлектриках (г)

У проводников Δ E _зз= 0. ВЗ и ЗП могут примыкать друг к другу или перекрываться. Учитывая, что разница между энергиями энергетических подуровней Δ E _эп = 10^-28 Эв, а энергия электрона в невозбужденном состоянии E _эл ≈ 10^-4 Эв, электроны могут переходить из ВЗ в ЗП без дополнительных внешних энергетических воздействий, обеспечивая электропроводность вещества.

У полупроводников Δ E _зз= 0,05 – 3,0 Эв. Здесь для перехода электронов из ВЗ в ЗП необходимо увеличить энергию электрона за счет каких-либо внешних энергетических воздействий (например, тепла, светового облучения и т.п.).

У диэлектриков Δ E _зз= 3,0–8,0 Эв. При таком высоком значении Δ E _зз электроны не могут преодолеть ЗЗ даже под действием значительных энергетических воздействий, поэтому диэлектрики имеют высокое электрическое сопротивление и не проводят электрический ток.

РАЗДЕЛ 8. «ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ»

ЛЕКЦИЯ № 9. ТЕМА: «ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ»

Содержание:

Поляризация диэлектриков

Относительная диэлектрическая проницаемость

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости

Виды поляризации диэлектриков:

- упругие и релаксационные

- электронная

- ионная

- дипольно-релаксационная

- дипольно – сегментальная

- дипольно- групповая

- ионно-релаксационная

- электронно – релаксационная

- миграционная

- самопроизвольная (спонтанная) и доменная

- резонансная

Дата добавления: 2017-01-13