Классификация твердых веществ по виду зонной структуры

В твердом теле, вследствие малых межатомных расстояний, атомы сильно взаимодействуют между собой. Для этого взаимодействия характерны две особенности: (а) снижается высота потенциального барьера между отдельными атомами, при этом валентные электроны могут свободно покидать собственный атом и переходить к другому, образуя различные виды химической связи; (б) при сближении атомов происходит расщепление уровней энергий электронов в оболочках изолированных атомов в полосы, или зоны уровней. Явление расщепления одиночных энергетических уровней в энергетическую зону называется снятием вырождения уровня. При этом каждая зона происходит от соответствующего уровня, который расщепляется при сближении атомов.

В результате распределение электронов по энергиям в твердом теле характеризуется энергетической зонной диаграммой, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными зонами.

На зонной диаграмме значения энергии откладываются на вертикальной оси, причем считается, что энергия нижних уровней энергии электронов в атоме минимальна. Последняя свободная зона разрешенных энергий для электронов в твердом теле, расположенная над полностью заполненной зоной, называется зоной проводимости. Зона разрешенных энергий, расположенная под зоной проводимости, называется валентной зоной. Энергетический промежуток, отделяющий зону проводимости от валентной зоны, называется запрещенной зоной.

В проводниках зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. При приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких эВ, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах.

Если запрещенная зона достаточно узка (порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию, и кристалл является полупроводником.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl она составляет 6 эВ), для полупроводников — достаточно узка (например, для германия – 0.72 эВ). При температурах, близких к 0 К, полупроводники ведут себя как диэлектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, то есть электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.