Диэлектрики, полупроводники, металлы

Различие электрических свойств металлов, диэлектриков и полупроводников с точки зрения зонной теории объясняется, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, различной шириной запрещенных зон.

В зависимости от этих факторов возможны четыре случая (рис. 1.7). Первые два случая соответствуют металлам. В первом случае (рис. 1.7а) валентная зона лишь частично заполнена электронами. Этот случай имеет место, например, у щелочных металлов (первая группа таблицы Менделеева), которые имеют на валентных уровнях только один электрон. Согласно принципу Паули электронов может быть два с противоположными спинами. Поэтому у каждого атома одно состояние средне статистически является свободным. Разность энергий соседних уровней сравнительно невелика, примерно 10~22 эВ. Электрон, увеличив свою энергию за счет теплового движения атомов (т.е. в результате столкновения с фононом) или внешнего электрического поля, может перейти на более высокий уровень внутри зоны. Фактически это означает переход электрона к другому атому, при этом направленное движение электрона может создавать электрический ток и обеспечивать электропроводность твердого тела.

Во втором случае (рис. 1.76) валентная зона полностью заполнена электронами, однако расширение зон настолько велико, что валентная зона перекрывается со следующей разрешенной зоной. Отметим, что эта зона не обязательно является свободной зоной. При этом образуется "зона перекрытия". Как и в первом случае, разность энергий соседних уровней сравнительно невелика,

энергетические спектры металлов

Рис.1.7.3онные энергетические спектры металлов (а, б), диэлектриков (в) и полупроводников (г). Заштрихованы энергетические уровни, которые могут заселяться электронами при температуре абсолютного нуля. ЗП - зона проводимости, 33 - запрещенная зона, ВЗ - валентная зона, ОП - область перекрытия, АЕ - энергия активации (ширина запрещенной зоны).

поэтому электроны также могут переходить между атомами, обеспечивая электропроводность твердого тела. Этот случай имеет место у элементов второй группы таблицы Менделеева (Be, Mg, Zn, Cd и др.).

Твердые тела, у которых при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости абсолютно пуста, является диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны в твердом теле составляет несколько электрон-вольт, то тепловое движение, или какое либо другое внешнее воздействие (ионизирующее излучение, электрическое поле и т.п.) не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и тело является диэлектриком (рис.1.7в). Если ширина запрещенной зоны составляет около одного электрон-вольта (рис.1.7г), то переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может происходить сравнительно легко, либо в процессе термогенерации, либо в процессе другого внешнего воздействия, способного передать электронам энергию большую или равную ширине запрещенной зоны. В этом случае твердое тело является полупроводником.

Таким образом, различие электропроводности металлов диэлектриков и полупроводников объясняется тем, что у металлов при температуре абсолютного нуля имеются электроны проводимости, а у полупроводников и диэлектриков нет. Различие между полупроводниками и диэлектриками заключается только в ширине запрещенной зоны, у диэлектриков она примерно на порядок больше чем у полупроводников.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >