§241. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать су­ществование металлов, диэлектриков и по­лупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, нео­динаковым заполнением электронами раз­решенных зон и, во-вторых, шириной за­прещенных зон.

Степень заполнения электронами энер­гетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если, например, какой-то уровень атома полностью заполнен электронами в соответствии с принципом Паули, то об­разующаяся из него зона также полностью заполнена. В общем случае можно гово­рить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних элек­тронов свободных атомов, и о зоне про­водимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов изолированных атомов.

В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая, изобра­женные на рис. 314. На рис. 314, а самая верхняя зона, содержащая электроны, за­полнена лишь частично, т. е. в ней имеют­ся вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электриче-

 

387

ского поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т. е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутризонный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения kT»10^-4 эВ, т. е. гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10^-22эВ). Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частич­но заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

Твердое тело является проводником электрического тока и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (рис. 314, б). Это имеет место для щелочноземельных элементов, образующих II группу таблицы Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn, ...). В дан­ном случае образуется так называемая «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Следовательно, в данном случае металли­ческие свойства щелочноземельных эле­ментов обусловлены перекрытием валент­ной и свободной зон.

Помимо рассмотренного выше пере­крытия зон возможно также перераспре­деление электронов между зонами, воз­никающими из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо двух частично заполненных зон в кристалле окажутся одна целиком за­полненная (валентная) зона и одна сво­бодная зона (зона проводимости). Твер­дые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ши­рины запрещенной зоны DE.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех ре­альных температурах (рис. 314, в). Если запрещенная зона достаточно узка (DE 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 DE, и кристалл является полупроводником (рис. 314, г).

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 DE=6 эВ), для полупроводни­ков— достаточно узка (например, для германия DE=0,72 эВ). При температу­рах, близких к О 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, т. е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.