Зонная теория

Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки.

Отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, то есть электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни.

Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию, то есть когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна.

При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга.

При сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атому к другому, то есть перемещаться по кристаллу.

Атомы могут обмениваться электронами. Это называется обменным взаимодействием.

Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атому расщепляются в энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки.

Каждая зона состоит из множества энергетических уровней. Их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело.

Ширина запрещенной зоны определяется природой атомов и симметрии кристаллической решетки. Каждая зона состоит из множества уровней. Их количество определяется числом атомов и их концентрациями.

Разрешенная энергетическая зона – это интервал энергии, заполненный собственными значениями энергии квазичастицы в кристалле.

Запрещенная энергетическая зона – это интервал значения энергии между двумя ближайшими разрешенными энергетическими зонами.

В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового магнитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу электронов, заполняющих данную энергетическую зону.

Энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными.

Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной. Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону называют зоной проводимости. Взаимное положение этих двух зон определяет большинство процессов, происходящих в твердом теле.

Все вещества по зонной теории можно разбить на 4 основных типа:

а) Изолятор (дельтаЭ=>3эВ – ширина запрещенной зоны)

б) Полупроводник (дельтаЭ=0,1…5 эВ)

в) Проводник (дельтаЭ примерно равно 0)

г) Полуметалл (металлоиды)

Внешние воздействия (электромагнитное поле, облучение) могут дать электронам энергию.

Электроны под действием поля могут переходить на следующий энергетический уровень той же зоны и отличается на ничтожно малую величину.

Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры.

При изменении межатомных расстояний в зависимости от характера расщепления уровней ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Увеличение числа свободных электронов или дырок под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил.

Примеси и точечные дефекты, нарушающие строгую периодичность структуры, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла.