Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Зонная теория твёрдых тел

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Зонная теория твёрдых тел[1]

В квантовой физике состояние электрона характеризуется четырьмя квантовыми числами. Квантовые числа описывают допустимые состояния, в которых электроны могут находиться в атоме. Если использовать аналогию с амфитеатром из позапрошлого раздела, то квантовые числа указывают, сколько рядов и мест доступно. Отдельные электроны можно описать комбинацией квантовых чисел, это как зритель в амфитеатре, для которого назначено определенный ряд и точное место.

Как зритель в амфитеатре может перейти на другой ряд (если там есть свободные места) и пересесть в другое кресло, так и электрон может изменить свой статус, при наличии доступных пространств для размещения и имея доступ к энергии, чтобы совершить такой переход. Поскольку уровень оболочки тесно связан с количеством энергии, которой обладает электрон, скачки между оболочками (и даже подоболочками) требуют обмена энергией. Если электрон переходит в оболочку более высокого порядка, то электрону должна быть передана дополнительная энергия от внешнего источника. Используя аналогию с амфитеатром, человеку требуется больше энергии, чтобы переместиться на более высокий ряд сидений, потому что придётся подняться на большую высоту против силы тяжести. И наоборот, если электрон перемещается в оболочку уровнями ниже, нужно избавиться от части своей энергии, как человек, перепрыгнувший на нижний ряд сидений, потратит энергию в виде тепла и звука.

Скачок скачку рознь. Скачки между разными оболочками требуют значительного обмена энергией, что касается прыжков между подоболочками или между орбиталями, то там уже менее энергозатратно.

Когда атомы объединяются, образуя вещества, самые внешние оболочки, подоболочки и орбитали сливаются, предоставляя электронам большее количество доступных уровней энергии. Когда большое количество атомов близко друг к другу, эти доступные уровни энергии образуют почти непрерывную зону, в пределах которой электроны могут перемещаться:

Рис. 1. Перекрытие электронных зон в элементах металлов.

Размеры этих зон и их близость к существующим электронам определяют, насколько подвижными будут эти электроны при воздействии электрического поля. В металлах происходит перекрытие зон, как полностью пустых, так и частично заполненных электронами. Это означает, что электроны могут переходить в состояние более высокого уровня, требуя немного дополнительной энергией или даже вовсе без неё. Такие внешние электроны называют «свободными» и они с лёгкостью устремляются туда, куда подует электрический «ветер».

Перекрытие зон происходит не во всех веществах, несмотря на то, насколько атомов окажутся близко друг к другу. В некоторых веществах остается весьма значительным промежуток между самой высокой зоной, содержащей электроны (так называемая валентная зона), и следующей зоной, которая пуста (так называемая зона проводимости). В результате валентные электроны «связаны» с составляющими их атомами и не обладают мобильностью в пределах вещества без обмена значительного количества энергии. Такие вещества являются электрическими изоляторами (диэлектриками).

Рис. 2. В изоляционных материалах электронные зоны значительно разнесены друг от друга.

Материалы-полупроводники имеют узкий зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Таким образом, количество энергии, необходимое для перевода валентного электрона в зону проводимости, где он становится подвижным, достаточно невелико:

Рис. 3. Разделение электронных зон в полупроводниковых веществах: (а) зоны в близких атомах полупроводнике по-прежнему вполне ощутимо разделены; (б) для сравнения – близко расположенные атомы в металлах, где переход из одной зоны в другую гораздо менее затратен.

При низких температурах и тепловой энергии мало, чтобы валентный электрон перескочил через этот зазор, и полупроводниковый материал действует скорее, как диэлектрик. Однако при более высоких температурах окружающей тепловой энергии становится достаточно, чтобы электроны пересекали данное препятствие, и таким образом в материале увеличивается проводимость электричества. Вообще говоря, на основании только электронной конфигурации атомов далеко не всегда можно точно предсказать проводящие свойства вещества.

Несмотря на то, что лучшие металлические проводники электричества (серебро, медь и золото) имеют на внешней s-подоболочке по одному электрону, на самом деле между между проводимостью и небольшим количеством валентных электронов однозначной взаимосвязи нет:

Элемент Удельное сопротивление (ρ),
Ом·круг.мил/фут при 20°C
Конфигурация
электронов
Серебро (Ag) 9,546 4d105s1
Медь (Cu) 10,09 3d104s1
Золото (Au) 13,32 5d106s1
Алюминий (Al) 15,94 3p1
Вольфрам (W) 31,76 5d46s2
Молибден (Mo) 31,12 4d55s1
Цинк (Zn) 35,49 3d104s2
Никель (Ni) 41,69 3d84s2
Железо (Fe) 57,81 3d64s2
Платина (Pt) 63,16 5d96s1

Конфигурации электронных зон, образованные соединениями различных элементов, нельзя легко увязать с электронными конфигурациями составных элементов.

Итог

  • Для перемещения электрона из валентной зоны в более высокую свободную зону (зону проводимости) требуется энергия. Для перемещения между оболочками требуется больше энергии, между подоболочками – меньше.
  • Поскольку валентная зона и зона проводимости перекрываются в металлах, для перехода электрону нужно совсем немного энергии. Именно поэтому металлы – отличные проводники тока.
  • Большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости в диэлектрике требует очень большой энергии для перехода электрона. Так что, диэлектрики ток практически не проводят.
  • В полупроводниках имеется некоторый неперекрывающийся зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Чистые полупроводники не являются ни хорошими диэлектриками, ни выраженными проводниками. Полупроводники полупроводят.

См.также

Внешние ссылки