Понятие о зонной теории

Из теории строения атома следует, что положительное ядро атома окружено электронными оболочками (K, L, M, N, O, P, Q). При полном заполнении оболочек: на K-оболочке 2 электрона, на L - ,8, на M-18, на N-32, O, P и Q остаются незаполненными даже у самых тяжелых элементов.

Положение электрона на оболочке характеризует энергию электрона. Поэтому вместо оболочек обычно рассматривают энергетические уровни или состояния. Но энергия электрона в атоме определяется не только номером оболочки, но и другими величинами. Поэтому каждый энергетический уровень состоит из нескольких подуровней (s, p, d, f, g- состояния). В этом случае энергетическая диаграмма изолированного атома имеет вид:

на 1 уровне электрон может находиться только в s –состоянии, и таких электронов в каждом атоме может быть только 2;

на 2 уровне может быть 2 электрона в состоянии 2s и 6 электронов в состоянии 2p;

на 3 уровне 2 электрона в 3s –состоянии, 6 электронов 3p и 10 электронов в 3d.

В твёрдом теле, где атомы образующие кристаллическую решётку, находятся на близких расстояниях один от другого, необходимо учитывать взаимодействие атомов, что приводит к расщеплению каждого энергетического уровня на столько новых, сколько имеется взаимодействующих атомов. Эти уровни расположены очень близко один от другого, поэтому можно считать их почти сливающимися и говорить об энергетической зоне.

Ширина зон зависит от расстояний между атомами. По мере уменьшения межатомных расстояний ширина зон возрастает и соседние зоны могут даже перекрывать друг друга.

Зона может быть заполнена электронами либо полностью, либо частично, возможны и пустые зоны.

Зоны отделены одна от другой энергетическими интервалами, называемыми запретными зонами (ЗЗ). В этих зонах электроны не могут находиться. Ширина ЗЗ может меняться от долей эВ до нескольких эВ. Ширина ЗЗ является критерием позволяющим отнести данное твёрдое тело к одному из классов: проводник, полупроводник, диэлектрик.

Разрешённые энергетические зоны делятся на валентную зону (ВЗ) и зону проводимости (ЗП).

Валентный (внешний) электрон может находиться при определённом наборе значений энергии в связанном состоянии с атомом, при более высоких значениях энергии – в свободном состоянии. Существует также область значений энергий, которыми электрон обладать не может.

Набор значений энергий валентного электрона:

Ø в связанном состоянии называется валентной зоной (ВЗ);

Ø в свободном состоянии – зоной проводимости (ЗП) (участвуют в создании тока проводимости);

Ø запрещённые значения – запрещённой зоной (ЗЗ).

В проводниках I типа (I группа таблицы Менделеева – щелочные металлы) ВЗ частично заполнена электронами, являясь, таким образом, ЗП. Валентные электроны «коллективизированы», они являются общими для всех атомов, образующих твёрдое тело.

В проводниках II типа (II группа таблицы Менделеева) ЗП и ВЗ перекрываются, образуя гибридную зону, в которой имеется большое число свободных уровней, куда легко могут переходить электроны из заполненной ВЗ.

У полупроводников и диэлектриков уровни ВЗ заполнены полностью и переход электронов в ЗП возможен только при сообщении электрону энергии извне не менее ширины ЗЗ (энергия активации). Вблизи абсолютного нуля и отсутствии освещённости полупроводник является диэлектриком. Полупроводники от диэлектриков отличаются более узкой шириной ЗЗ.