Обобщение некоторых выводов зонной теории для объяснения электропроводности и классификации твердых тел
Подведем итоги изложенному выше в виде положений, сформулированных акад. А. Ф. Иоффе и его школой на основании работ русских и зарубежных исследователей.
1. Твердое тело представляет единую систему, в которой энергетические состояния электронов образуют зоны, отделенные друг от друга промежутками запрещенных значений энергии — запрещенными зонами (рис. 1.4, 1.5).
Ширина энергетической зоны определяется видом материала и строением кристалла.
Валентные зоны большинства твердых тел имеют ширину в несколько электрон-вольт.
В кристалле между электронами определенного атома и электронами соседних атомов существует взаимодействие, наиболее сильное для электронов, принадлежащих самым внешним оболочкам атомов. Следовательно, расщепление энергетических уровней в верхних зонах кристалла самое значительное, а ширина зон оказывается наибольшей.
Взаимодействие между электронами глубинных уровней (внутренних оболочек) соседних атомов много слабее, и нижние зоны оказываются более узкими. Для самых низких зон, т. е. для наиболее глубоких электронных оболочек, взаимного влияния почти нет, так как электроны на них экранированы от наружного пространства внешними электронными оболочками. Поэтому по ширине зоны почти сравнимы с отдельными электронными уровнями, как это видно из рис. 1.3. Ширина запрещенных зон у разных веществ различна и может достигать 8 эв. Ширина запрещенной зоны меняется с температурой. Это происходит по двум причинам: 1) из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки; 2) из-за изменения междуатомных расстояний, т. е. объема тела. Первая причина приводит к сужению запрещенной зоны с повышением температуры; вторая —может вызывать как сужение, так и расширение запрещенной зоны при повышении температуры, что определяется ходом кривых на рис. 1.4.
2. Электрический ток возникает в твердом теле при любой температуре, если валентная зона или объединенная полоса перекрытия зон не полностью заполнена электронами.
В этом случае свободно осуществляются энергетические переходы (расстояние между уровнями около 10-22 эв), обусловленные ускорением электронов во внешнем электрическом поле (энергия, приобретенная электроном на длине свободного пробега около 10-8—10-4 эв). Электропроводность такого твердого тела имеет металлический характер.
3. Если между валентной полностью заполненной зоной твердого тела с идеально упорядоченной решеткой и свободной зоной возбужденных состояний имеется запрещенная зона конечной ширины, то при абсолютном нуле, полном затемнении и не слишком сильном внешнем электрическом поле твердое тело будет совершенным диэлектриком.
При повышении температуры или освещении такого тела электроны из валентной зоны будут переходить в зону возбужденных состояний и участвовать в электропроводности. В отличие от металла, у которого проводящее состояние является нормальным, не требующим перехода электронов через запрещенную зону, проводящее состояние твердого тела с совершенно заполненной зоной является возбужденным состоянием.
С точки зрения зонной теории разделение неметаллических материалов на полупроводники и диэлектрики совершенно условно, так как оно не обосновывается никакими качественными физическими особенностями, и вся разница между ними заключается в ширине запрещенной зоны. Нельзя установить также граничное значение ширины запрещенной зоны, которое отделяет класс полупроводников от класса диэлектриков. Можно лишь указать, что у твердых тел, причисляемых к полупроводникам, ширина запрещенной зоны не
превышает 3 эв. Приведенные выводы можно иллюстрировать с помощью рис. 1.6, на котором изображены энергетические диаграммы для металлического проводника электрического тока, электронного полупроводника и диэлектрика. | Рис.1.6. Энергетическое отличие |
Таким образом, электрические свойства всех твердых тел получают теоретическую интерпретацию с единой точки зрения: энергия возбуждения носителей заряда, или энергия активации электропроводности, равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящем при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков. Хорошо проводящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить все твердые тела по этому признаку.
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 1101;