3) Основы зонной теории. Энергетические уровни, спектр.
!!!Атом водорода имеет планетарную структуру. Электрон вращается вокруг положительно заряженного ядра по строго определенным орбитам, на каждой орбите его энергия определяется 4 квантовыми числами: излучение и поглощение энергии электроном происходит только при переходе с одной орбиты на другую. Любые атомы других веществ имеют подобную, но более сложную структуру и подчиняются тем же правилам что и атом водорода. Электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн. Остальные орбиты для электрона запрещены. Каждой разрешенной орбите соответствует своя скорость и кинетическая энергия электрона. Электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую. Полная энергия электронов называется энергетическим состоянием атомов. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляется в виде энергетического уровня.
Твердое тело (кристалл) состоит из множества атомов, расположенных определенным образом, составляя в целом кристаллическую решетку.
Атомы сближаются только на расстояние а; не изменяется только 1 энергетический уровень, остальные расщепляются в систему подуровней. Образуются зоны разрешенных энергий и зоны запрещенных энергий. Число подуровней соответствует числу атомов в материальном теле. Принцип Паули: На любом энергетическом уровне одновременно может находиться не более двух электронов, отличающихся моментами импульса или спинами. Электрон в зоне проводимости может участвовать в токе.
4) Металлы, диэлектрики.
!!!Металлы. Для металлов характерны два типа зонных диаграмм.
a.
Для этой зонной диаграммы
,
валентная зона частично заполнена
электронами.(K,
Na,
H)
b. Валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются, т. е. при воздействии внешнего поля электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости (Fe). Вещества, способные проводить электрический ток, называются металлами.
!!!Диэлектрики. Валентная зона полностью заполнена электронам. Электрон не может покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости. Диэлектрики (изоляторы) – вещества, не проводящие ток.
5) Полупроводники, понятие «дырки».
!!!Полупроводники. Для полупроводников характерна зонная диаграмма, в которой ширина запретной зоны сравнима со средней тепловой энергией электрона.
Кристалл полупроводника занимает промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Как и у диэлектриков, у полупроводников заняты все подуровни валентной зоны. Однако свободная зона кристалла полупроводника отделена от валентной зоны очень узкой запрещённой зоной. Поэтому даже при незначительном повышении температура полупроводника его электроны без труда преодолевают запрещённую зону и попадают на свободные подуровни свободной энергетической зоны. В результате кристалл становится способным проводить электрический ток. Чем выше температура полупроводника, тем меньше его сопротивление.
!!!Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным, а там, где он был до этого, образуется пустое место.
!!!Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой. Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному заряду электрона.