Розділ VI. Елементи фізики твердого тіла енергетичні зони в кристалах. Розподіл електронів по енергетичних зонах
Скачати 439.58 Kb.
|
|
Розділ VI. Елементи фізики твердого тіла РОЗДІЛ VI. ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ ТВЕРДОГО ТІЛА§6.1. Енергетичні зони в кристалах. Розподіл електронів по енергетичних зонах.Метали, діелектрики і напівпровідникиКартина енергетичної структури твердого тіла порівняно з ізольованим атомом є суттєво іншою. Так, при зближенні ізольованих атомів і утворення з них кристалу, що складається з N атомів, кожний окремий атом взаємодіє з своїми сусідам, що приводить до появи в кристалі N близько розміщених один від одного підрівнів, які утворюють енергетичну зону. Найбільший вплив поле гратки чинить на зовнішні валентні електрони атомів. Тому стани цих електронів в кристалі відчувають найбільші зміни, а енергетичні зони, які утворені з енергетичних рівнів цих електронів, виявляються найбільш широкими. Внутрішні ж електрони, які сильно зв’язані з ядром, відчувають лише незначні збурення від інших атомів, внаслідок чого їх енергетичні рівні в кристалі залишаються практично такими ж вузькими, як і в ізольованих атомах. На рис. 6.1 схематично наведена картина утворення енергетичних зон в кристалі із дискретних атомних рівнів. К  ожному енергетичному рівню ізольованого атома в кристалі відповідає зона дозволених рівнів:  –зона , рівню  – зона і т.д.Зони дозволених енергій розділені областями заборонених енергій – забороненими зонами (ЗЗ). Ступінь заповнення електронами енергетичних рівнів у зоні визначається заповненням відповідного атомного рівня. Якщо, наприклад, якийсь рівень атома повністю заповнений електронами відповідно до принципу Паулі, то утворена з таких рівнів енергетична зона також повністю заповнена. На кожному підрівні згідно з принципом Паулі може знаходитись не більше двох електронів з антипаралельними спінами. Електрони в твердих тілах можуть переходити з однієї дозволеної зони в іншу. Для переходу електрона з нижньої зони в сусідню верхню зону необхідно затратити енергію, що дорівнює ширині ΔЕ забороненої зони, яка розміщена між ними. Для внутрішніх переходів електронам в межах зони необхідна дуже мала енергія, тому, що відстані між сусідніми енергетичними рівнями в зоні дорівнює приблизно  . Наприклад, для цього достатньо енергії  , що отримує електрон в металі під дією електричного поля на довжині вільного пробігу при звичайних різницях потенціалів. Під дією збудження електронам може бути надана енергія, достатня як для внутрішньозонних, так і для міжзонних переходів.Зонна теорія твердих тіл дозволила з єдиної точки зору пояснити фізичні властивості металів, діелектриків і напівпровідників, пояснюючи відмінності в їх електричних властивостях неоднаковим заповненням електронами дозволених зон і різною шириною заборонених енергетичних зон. Найвища зона, яка цілком заповнена електронами при T=0 K, називається валентною зоною (ВЗ). Зона, яка заповнена електронами частково або вільна від електронів при T=0 K, називається зоною провідності (ЗП). Залежно від ступеня заповнення енергетичних зон електронами і ширини забороненої зони можливі чотири випадки (рис. 6.2). У першому випадку найвища зона, що містить електрони, заповнена лише частково, тобто в ній є вакантні рівні (рис. 6.2,а). У такому разі електрон, збільшивши свою енергію за рахунок теплового руху або електричного поля, зможе перейти на вищий енергетичний рівень самої зони, тобто стати вільним і брати участь у провідності. Внутрішньозонний перехід можливий, оскільки, наприклад, при Т=1 К енергія теплового руху kT~  eB, тобто більша від різниці енергій між сусідніми енергетичними рівнями зони  . Отже, тіло буде провідником електричного струму. Саме це властиве металам.Тверде тіло є провідником електричного струму і в тому випадку, коли валентна зона перекривається із зоною провідності, що приводить до неповного заповнення зони (рис. 6.2,б). Це має місце для лужноземельних елементів, що утворюють другу групу періодичної системи Менделєєва. У даному випадку утворюється так звана „гібридна” зона, яка заповнюється валентними електронами лише частково. М  ожливий також перерозподіл електронів між зонами, що виникають із рівнів різних атомів, який може привести до того, що в кристалі виявиться одна цілком заповнена (валентна) зона і одна вільна зона (зона провідності). Тверді тіла, у яких зона провідності повністю заповнена електронами, а валентна зона вільна від електронів при Т=0К, є діелектриками або напівпровідниками залежно від ширини  забороненої зони.Якщо ширина забороненої зони кристалу порядку декількох еВ, то тепловий рух не може перевести електрони з валентної зони в зону провідності і кристал є діелектриком, залишаючись ним при всіх реальних температурах (рис. 6.2,в). Для типових діелектриків ΔE>3eB. Так, для алмазу ΔE~5,2eB, для нітриду бору ΔE~4,6eB, для  ΔE~7,0eB і т. д. Якщо заборонена зона досить вузька  , то перехід електронів з валентної зони в зону провідності може бути здійснений порівняно легко: або тепловим збудженням, або за рахунок зовнішнього джерела, здатного передати електронам енергію (рис. 6.2,г). Такий кристал буде напівпровідником. При температурах, близьких до Т=0 K, напівпровідники ведуть себе як діелектрики, оскільки переходу електронів у зону провідності не відбувається. Для типових напівпровідників  . Так, для германію  , для кремнію  , для антимоніду індію  і т.д.Речовини можна також поділяти на провідники, напівпровідники і діелектрики за величиною їх питомого опору  при кімнатній температурі:  – провідники;  – напівпровідники;  – діелектрики. |
Схожі:
 | Програма предмет Спецкурс "Вступ до фізики твердого тіла" Модель вільних електронів. Теорія металів Друде. Основні положення. Енергія зв’язку, схема розрахунків Евальда. Статична електропровідність.... | | Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „фізика твердого тіла частина 1 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики. Розділ „Фізика твердого тіла”. Частина Для студентів інженерно-технічних... |
| Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „фізика твердого тіла частина 2 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики. Розділ „Фізика твердого тіла”. Частина Для студентів інженерно-технічних... | | Т.І. Матченко, канд техн наук В. А. Тертична моделювання пластичних зон біля вершини тріщини конструкційних матеріалів заданої структури Визначено основні види деформування в пластичних зонах біля вершини тріщини. Розглянуто зони, для яких характерні ковзання в кристалах,... |
| Назва модуля: Фізика. Ч код модуля: кзф 6003 с тип модуля Зміст навчального модуля: Інтерференція, дифрація та поляризація світла, взаємодія світла з речовиною, квантова природа випромінювання,... | | Питання до теоретичної контрольної роботи (№3) з фізики твердого тіла та ядерної фізики |
| Cols=2 gutter=0> Тема Кінематика матеріальної точки та абсолютно твердого тіла Розподіл молекул за швидкостями І потенціальними енергіями | | Назва модуля: Фізика. Ч код модуля: кзф 6001 с тип модуля Кінематика І динаміка поступального руху твердого тіла. Кінематика І динаміка обертального руху твердого тіла. Механічні коливання... |
| Частина третя динаміка Динаміка розділ теоретичної механіки, в якому визначається механічний рух матеріальної точки, системи матеріальних точок, твердого... | | Тип модуля: обов’язковий. Семестр: Обсяг модуля З математики: алгебра, геометрія, тригонометрія, диференціальне та інтегральне числення, диференціальні рівняння; з фізики: механіка;... |