 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
МЕТАЛЛЫ, ДИЭЛЕКТРИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ
Каждая разрешенная зона содержит конечное число (N)энергетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может находиться лишь два электрона с противоположно направленными спинами. При ограниченном числе электронов, содержащихся в кристалле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. Все остальные зоны будут пусты. Рассмотрим различные варианты заполнения зон электронами. 1. последняя зона, в которой есть электроны, заполнена частично. Поскольку эта зона заполняется валентными электронами атомов, ее называют валентной. Под действием внешнего электрического поля электроны, занимающие уровни вблизи границы заполнения, начнут ускоряться и переходить на более высокие свободные уровни той же зоны. В кристалле потечет ток. Таким образом, кристаллы с частично заполненной валентной зоной хорошо проводят электрический ток, т. е. являются металлами. Пример: рассмотрим натрий. Каждый атом натрия содержит 11 электронов, распределенных по состояниям следующим образом: При объединении атомов в кристалл энергетические уровни атомов превращаются в зоны. Электроны внутренних оболочек атома полностью заполняют зоны, образованные из уровней 1s, 2s и 2р, так как в них на 2N, 2N и 6N состояний приходятся соответственно 2N, 2N и 6N электронов. Валентная зона образована из 3s состояний. В ней имеется всего 2N состояний, на которые приходится N электронов (по одному валентному электрону на атом). Таким образом, в кристаллическом натрии валентная зона заполнена только наполовину. Естественно, что все сказанное относится к температуре 0 К. Аналогичным образом заполняются зоны и у других щелочных элементов. 2. валентная зона заполнена электронами полностью, но она перекрывается со следующей разрешенной зоной, незанятой электронами. Если к такому кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то электроны начнут переходить на уровни свободной зоны и возникнет ток. Данный кристалл также является металлом. Типичный пример металла с указанной зонной структурой - магний. У каждого атома Mg ( 3. валентная зона заполнена электронами полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (больше 2—3 эВ) запрещенной зоной (энергетической щелью). В кристалле с такой зонной структурой внешнее поле не может создать электрического тока, так как электроны в заполненной зоне не могут изменить своей энергии. Следовательно, вещество представляет собой диэлектрик. Типичным диэлектриком является ионный кристалл NaCl. Положительно заряженные ионы натрия имеют электронную конфигурацию Na Зоны, образующиеся из полностью заполненных атомных уровней тоже оказываются полностью заполненными. Последней заполненной зоной является зона Зр С1 Если ширина запрещенной зоны меньше 2—3 эВ, то кристалл называют полупроводником. В полупроводниках за счет тепловой энергии k При очень низких температурах любой полупроводник становится хорошим диэлектриком. Таким образом, · между металлами и диэлектриками существует качественное различие, · а между диэлектриками и полупроводниками — только количественное.
В табл.1 приведены значения ширины запрещенной зоны для некоторых диэлектриков и полупроводников. Таблица1. Ширина запрещенной зоны
Электронная структура атомов, образующих твердое тело, не единственный фактор, обусловливающий различие в заполнении зон. На примере NaCl мы видели, что важную роль играет природа химической связи. Характер заполнения энергетических зон зависит также и от структуры кристалла. Так, например, углерод в структуре - алмаза — диэлектрик, - графита обладает металлическими свойствами.
Поиск по сайту: |
.
) в валентной оболочке имеется два электрона. В кристаллическом магнии валентные электроны полностью заполняют 3s-зону. Однако эта зона перекрывается со следующей разрешенной зоной, образованной из Зр-уровней.
( 
),а отрицательные ионы хлора - Cl 
( 
).
T заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную зону, называемую зоной проводимости.
рис. 4.8 - схематически показано заполнение зон электронами в металлах, диэлектриках и полупроводниках