Металлы,диэлектрикииполупроводники.

В зависимости от характера заполнения электронами верхней зоны все твѐр-дые тела делятся на три группы: металлы, диэлектрики и полупроводники. У неко-торых твѐрдых тел самая верхняя зона, содержащая электроны может быть заполне-на частично, т.е. у неѐ имеется часть свободных уровней.Приложим к такому кри-сталлу внешнее электрическое поле. Известно, что в конце длины свободного про-бега под действием внешнего электрического поля электроны приобретают энергиюот 10^-8до 10^-4эВ. Эта энергия значительно больше, чем расстояние между соседни-ми уровнями зоны (10^-22эВ). В результате электроны верхней зоны переходят насвободные уровни с более высокой энергией. Если смещающиеся электроны непре-рывно отводить от тела, что возможно в электрической замкнутой цепи, то кванто-вые переходы электронов будут происходить непрерывно долго, пока в цепи будетисточник внешнего поля. Таким образом, твѐрдые тела с указанным характером за-полнения верхней зоны будут хорошо проводить электрический ток, такие тела яв-ляютсяметаллами.

Прикомнатнойтемпературепроводимостьметалловнаходитсявпределах:

7 8 -1-1

σ=10–10Омм

.Сточкизрениязонной теории увеличении валентности металла

не приводит к увеличению его электропроводности σ, так как она зависит не от чис-ла валентных электронов, а от отношения числа электронов проводимости к общемучислу энергетических уровней. Например, у 3-валентного алюминия σ почти вдвоеменьше,чем у1-валентной меди.

Так как электрические, магнитные, оптические свойства металлов обусловле-ныпроцессамилишьводнойчастичнозаполненнойзоневокрестностиуровняФерми,тодляметалловможетбытьиспользованаквантоваятеориясвободныхэлектронов.

У многих твѐрдых тел самая верхняя зона, содержащая электроны, может бытьзаполнена электронами полностью, а следующая за ней зона полностью пустая и от-деленаотпредыдущей зоны большим промежутком запрещѐнных энергий(ΔE >2 эВ). Такие твѐрдые тела получили названиедиэлектриков. В этом случаеверхняя полностью заполненная зона называетсявалентной(V-зона), а следующаяза ней пустая зона разрешенных энергий называетсязоной проводимости(C-зона).Промежуток запрещѐнных энергий, который разделяет валентную зону и зону про-водимости называетсязапрещѐнной зоной. Ширина этого промежутка:ΔE_g=E_c–E_v,гдеE_c– дно зоны проводимости,E_v– потолок валентной зоны. ПриT= 0 K диэлек-трик не проводит электрический ток. При повышении температуры диэлектрика,электроны валентной зоны начинают взаимодействовать с колебаниями кристалли-ческой решѐтки и получают значительно большую энергию. Процесс передачи энер-гии электронам – статистический. Тем не менее, число электронов, которые полу-чают от решѐтки энергию ≥ΔE_gничтожно мало, поэтому будет мало число электро-нов, которые способны перейти за счѐт тепловых переходов из валентной зоны в зо-ну проводимости. Таким образом, твѐрдые тела с большой шириной запрещѐннойзоныплохопроводит электрическийток, ихпроводимостьσ< 10^-10Ом^-1м^-1.

Если у твердого тела приТ= 0 К самая верхняя зона полностью заполнена, аследующая за ней зона проводимости пустая и отделена от предыдущей зоны неши-роким промежутком запрещенных энергий (ΔE <2эВ), то твердое тело называетсяполупроводником.Как видно, принципиальной разницы между полупроводником идиэлектриком нет. При достаточно высоких температурах у полупроводников могутиметь место тепловые переходы из валентной зоны в зону проводимости за счетвзаимодействия валентных электронов с ионами кристаллической решетки. Элек-троны, перешедшие из валентной зоны в зону проводимости, могут участвовать впереносе электрического тока. Появившиеся свободные уровни в валентной зоне(вакансии) будут также участвовать в переносе электрического тока. Носителямитока в валентной зоне являются дырки. Таким образом, проводимость полупровод-ника является активированной. ПриТ= 0К полупроводники, как и диэлектрики непроводят электрический ток. Чем меньшеΔE_g, тем выше при прочих равных услови-ях электропроводность полупроводника. Электропроводность полупроводника ле-жит вширокомдиапазонезначений:σ_пп=10^-10–10²Ом^-1м^-1.