Енергийни зони в кристали

Според теорията на Нил Бор за атомната структура, всички атоми се откриват да имат дискретни нивоа на енергия около централния си ядро (повече информация може да се намери в статията “Атомни нива на енергия”). Сега нека разгледаме случая, когато два или повече такива атома са поставени близо един до друг. В този случай, структурата на техните дискретни нива на енергия се превръща в структура на енергийни зони. Тоест, вместо дискретни нива на енергия, може да се открият дискретни зони на енергия. Причината за образуването на такива зони на енергия в кристали е взаимодействието между атомите, което е резултат от електромагнитните сили, действащи между тях.
Фигура 1 показва типична конфигурация на такива зони на енергия. Тук зона 1 на енергия може да се мисли като аналогично на нивото E1 на изолиран атом и зона 2 на енергия - на нивото E2 и така нататък.

Това е равно на казаното, че електроните, близки до ядрото на взаимодействащите атоми, образуват зона 1 на енергия, докато тези в съответните им външни орбити водят до по-високи зони на енергия.

В реалността, всяка от тези зони съдържа множество нива на енергия, които са много близко разположени.

От фигурата е очевидно, че броят на нивата на енергия, които се появяват в определена зона на енергия, се увеличава с увеличаването на разглежданата зона на енергия, тоест третата зона на енергия е по-широко разпространена от втората, която обаче се вижда по-широко, когато се сравнява с първата. След това, пространството между всеки от тези зони се нарича забранена зона или зона на щемпел (Фигура 1). Освен това, всички електрони, присъстващи в кристала, са принудени да се намират в една от зоните на енергия. Това означава, че електроните не могат да се намират в областта на зоната на щемпел.

Видове зони на енергия

Зоните на енергия в кристал могат да бъдат различни видове. Някои от тях биха били напълно празни, затова се наричат празни зони на енергия, докато други биха били напълно запълнени и се наричат запълнени зони на енергия. Обикновено, запълнените зони на енергия ще са по-ниските нива на енергия, които се намират по-близо до ядрото на атома и не разполагат с свободни електрони, което означава, че не могат да допринесат за проводимостта. Съществуват също и друг набор от зони на енергия, които могат да бъдат комбинация от празни и запълнени зони на енергия, наречени смесени зони на енергия.
Но в областта на електрониката особено интерес представлява механизъмът на проводимост. В резултат, тук, две от зоните на енергия придобиват огромно значение. Това са

Зона на валентност

Тази зона на енергия съдържа валентни електрони (електрони в най-външната орбита на атома) и може да бъде напълно или частично запълнена. При стаяна температура, това е най-високата зона на енергия, която съдържа електрони.

Зона на проводимост

Най-ниската зона на енергия, която обикновено не е заета от електрони при стаяна температура, се нарича зона на проводимост. Тази зона на енергия съдържа електрони, които са свободни от привличащата сила на ядрото на атома.
Обикновено, зоната на валентност е зона с по-ниска енергия в сравнение с зоната на проводимост и се намира под зоната на проводимост в диаграмата на зоните на енергия (Фигура 2). Електроните в зоната на валентност са слабо свързани с ядрото на атома и прескачат в зоната на проводимост, когато материалът е възбуден (например, термично).

Значение на зоните на енергия

Е добре известно, че проводимостта през материали е осъществявана само от свободните електрони, присъстващи в тях. Този факт може да бъде повторен в термини на теорията на зоните на енергия като „единствено електроните, присъстващи в зоната на проводимост, допринасят за механизма на проводимост“. В резултат, човек може да класифицира материали в различни категории, като погледне диаграмата на зоните на енергия.
Например, ако диаграмата на зоните на енергия показва значително наслазване между зоната на валентност и зоната на проводимост (Фигура 3a), това означава, че материалът има обилни свободни електрони, поради което може да се счита за добър проводник на електричество, тоест метал.

От друга страна, ако имаме диаграма на зони на енергия, в която има голяма разлика между зоната на валентност и зоната на проводимост (Фигура 3b), това означава, че трябва да предоставим на материала голямо количество енергия, за да получим запълнена зона на проводимост. Понякога, това може да бъде трудно или дори практически невъзможно. Това би оставило зоната на проводимост без електрони, поради което материалът няма да провежда. Следователно, такива материали биха били изолатори.
Сега, нека кажем, че имаме материал, който показва леко разделение между зоната на валентност и зоната на проводимост, както е показано на Фигура 3c. В този случай, човек може да направи електроните в зоната на валентност да заемат зоната на проводимост, като предостави малко количество енергия. Това означава, че въпреки че такива материали обикновено са изолатори, те могат да бъдат превърнати в проводници, като се възбудят външно. Следователно, тези материали ще бъдат наречени полупроводници.

Изявление: Почитайте оригиналното, добри статии заслужават споделяне, ако има нарушение на правата на авторската собственост, моля се обратете за изтриване.