Энергетические зоны в кристаллах

Согласно теории атомной структуры Нильса Бора, все атомы имеют дискретные уровни энергии вокруг своего центрального ядра (более подробно об этом можно прочитать в статье “Уровни атомной энергии”). Теперь рассмотрим случай, когда два или более таких атома находятся близко друг к другу. В этом случае структура их дискретных уровней энергии преобразуется в структуру энергетических зон. То есть, вместо дискретных уровней энергии, можно наблюдать дискретные энергетические зоны. Причина образования таких энергетических зон в кристаллах заключается во взаимодействии между атомами, которое является результатом электромагнитных сил, действующих между ними.
Рисунок 1 показывает типичное расположение таких энергетических зон. Здесь энергетическая зона 1 может быть сопоставлена с уровнем энергии E1 изолированного атома, а энергетическая зона 2 — с уровнем E2 и так далее.

Это эквивалентно тому, что электроны, находящиеся ближе к ядру взаимодействующих атомов, образуют энергетическую зону 1, в то время как электроны, находящиеся на их соответствующих внешних орбитах, приводят к образованию более высоких энергетических зон.

На самом деле, каждая из этих зон состоит из множества очень близко расположенных уровней энергии.

Из рисунка видно, что количество уровней энергии, появляющихся в определенной энергетической зоне, увеличивается с увеличением рассматриваемой энергетической зоны, то есть третья энергетическая зона шире второй, которая, в свою очередь, шире первой. Пространство между каждой из этих зон называется запрещенной зоной или зазором (Рисунок 1). Кроме того, все электроны, находящиеся в кристалле, вынуждены находиться в одной из энергетических зон. Это означает, что электроны не могут находиться в области зазора энергетической зоны.

Типы энергетических зон

Энергетические зоны в кристалле могут быть различных типов. Некоторые из них будут полностью пустыми, поэтому они называются пустыми энергетическими зонами, в то время как другие будут полностью заполненными и называются заполненными энергетическими зонами. Обычно заполненные энергетические зоны будут нижними уровнями энергии, которые находятся ближе к ядру атома и не содержат свободных электронов, что означает, что они не способны проводить ток. Также существуют еще одна группа энергетических зон, которые могут быть комбинацией пустых и заполненных энергетических зон, называемых смешанными энергетическими зонами.
Однако в области электроники особенно интересует механизм проводимости. В результате здесь две энергетические зоны приобретают особое значение. Это

Зона валентности

Эта энергетическая зона состоит из валентных электронов (электронов, находящихся на внешней орбите атома) и может быть полностью или частично заполнена. При комнатной температуре это самая высокая энергетическая зона, содержащая электроны.

Зона проводимости

Нижняя энергетическая зона, которая обычно не занята электронами при комнатной температуре, называется зоной проводимости. Эта энергетическая зона состоит из электронов, свободных от притяжения ядра атома.
Обычно зона валентности имеет меньшую энергию по сравнению с зоной проводимости и, следовательно, находится ниже зоны проводимости в диаграмме энергетических зон (Рисунок 2). Электроны в зоне валентности слабо связаны с ядром атома и переходят в зону проводимости, когда материал возбуждается (например, термически).

Важность энергетических зон

Известно, что проводимость материалов осуществляется только за счет свободных электронов, находящихся в них. Этот факт можно переформулировать в терминах теории энергетических зон как «только электроны, находящиеся в зоне проводимости, вносят вклад в механизм проводимости». В результате, можно классифицировать материалы, глядя на их диаграмму энергетических зон.
Например, если диаграмма энергетических зон показывает значительное перекрытие между зоной валентности и зоной проводимости (Рисунок 3а), это означает, что в материале имеется большое количество свободных электронов, благодаря чему он может считаться хорошим проводником электричества, то есть металлом.

С другой стороны, если у нас есть диаграмма энергетических зон, на которой есть большой разрыв между зоной валентности и зоной проводимости (Рисунок 3b), это означает, что нужно предоставить материалу большое количество энергии, чтобы получить заполненную зону проводимости. Иногда это может быть сложно или даже практически невозможно. Это оставит зону проводимости пустой, и материал не сможет проводить ток. Таким образом, такие материалы будут изоляторами.
Теперь предположим, что у нас есть материал, который показывает небольшое разделение между зоной валентности и зоной проводимости, как показано на Рисунке 3с. В этом случае можно заставить электроны в зоне валентности занять зону проводимости, предоставив небольшое количество энергии. Это означает, что, хотя такие материалы обычно являются изоляторами, их можно превратить в проводники, возбудив их внешними средствами. Поэтому такие материалы называются полупроводниками.

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят того, чтобы их делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.