Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники

Заполнение зон электронами в металлах, диэлектриках и полупроводниках схематически показано на рис. 7.10. В табл. 7.1 при-230 [c.230]

Металлы, диэлектрики, полупроводники. Металлы и диэлектрики существенно различаются характером заполнения энергетических зон электронами. На рис. 6.11 заполненным электронным состояниям отвечает двойная штриховка, а свободным — однократная. Случай а относится к металлу, б—к диэлектрику. В последнем случае свободная зона — это зона проводимости, а полностью заполненная — валентная зона. Хотя обобществленные электроны и перемещаются по кристаллу, однако для электропроводимости этого мало надо, чтобы носители заряда обладали также некоторой свободой перемещения по шкале энергии. Ведь для направленного переноса заряда нужна соответствующая составляющая скорости электронов, что связано с приращением энергии. Ясно, что в полностью заполненной зоне приращение энергии невозможно, поэтому в случае б на рисунке мы имеем диэлектрик. [c.143]

Таким образом, вещества, у которых в основном состоянии нет частично заполненных зон, относятся к диэлектрикам и полупроводникам полуметаллы и металлы, напротив, характеризуются электронным спектром с частично заполненными зонами. [c.15]

Рис. 21. Зависимость энергии электрона от волнового числа для (а) целиком заполненной зоны (диэлектрики), (б) наполовину заполненной зоны (металлы), (в) зоны с незначительным числом электронов (полупроводник п-типа), (г) почти полностью заполненной зоны (полупроводник р-типа).

В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах валентная зона заполнена электронами либо частично, либо целиком, но при этом перекрывается со следующей разрешенной зоной. Заполненные состояния от незаполненных отделяются уровнем Ферми. Таким образом, уровень Ферми в металлах расположен в разрешенной зоне. [c.255]

Если все энергетические зоны твердого тела, в которых имеются электроны, полностью заполнены, то такое твердое тело называют диэлектриком. Если же верхняя зона заполнена примерно наполовину, вещество относят к классу металлов. В промежуточном случае, когда верхняя зона, содержащая электроны, имеет малую концентрацию пустых или заполненных состояний, вещество относят к классу полупроводников. На рис. 20 схематически представлены все три [c.43]

Возможность ФП типа диэлектрик — металл была теоретически предсказана jMottom при анализе применимости зонной теории электронных спектров твердых тел, в которой обычно используется одноэлектронное приближение, т. е. предполагается, что каждый электрон движется в силовом поле ионов п всех электронов (кроме рассматриваемого), а парные взаимодействия не учитываются даже для ближайших соседних электронов (эти взаимодействия включены в среднее поле, см. 1.1), В одноэлектронном приближении решением уравнения Шредингера в кристалле являются функции Блоха, а собственные значения энергии образуют энергетические полосы. Число уровней в каждой полосе определяется числом атомов в решетке, вследствие чего образуются квазинепре-рывные энергетические зоны, заполнение которых определяется принципом Паули (см, 1.1, рис, 1.3). Вещества, у которых в основном состояни нет частично заполненных зон, относятся к диэлектрикам и полупроводникам полу.метал-лы и металлы, напротив, характеризуются наличием частично заполненных зон (см, рис. 1.5). [c.114]

С-уществоваиие Т. т. с различными электрич. свойствами связано с характером занолнепия энергетич. зон. Основными переносчиками заряда в металлах и нолуироводниках являются электроны из частично заполненных зон (электроны проводи-м о с т и). Поэтому перенос заряда в металлах и полупроводниках практически не сопровождается переносом массы. В ионных кристаллах (диэлектриках) носители заряда — ионы. В металлах и в полупроводниках ионы также принимают участие в переносе заряда, при этом существенную роль играет увлечение ионов электронами. [c.120]

В стандартной зонной схеме твёрдых тел в диэлектриках и полупроводниках заполненные зоны отделены от пустых запрещённой зоной (анерге-тич. щель) Sg, а в металлах есть зоны, заполненные частично, и электроны могут двигаться по этим зонам в слабом электрич. поле (см. Зонная теория). Структура зов в однозлектронном приближении связана с симметрией кристаллич. решётки. П. м.— д. может быть связан с изменением решётки, т. е. со структурным фазовым переходом. Такова природа П. м.— д. во мн. квазиодномерных соединениях и кеазидвумерных соединениях (слоистых). В этом случае переход паз. Пайерлса переходом или переходом с образованием волны зарядовой плотности. С изменением симметрии решётки связаны П. м.— д. и в др. веществах, напр. переход белого олова в серое ( оловянная чума ). С изменением ближнего порядка связаны П. м.— д., происходящие при плавлении мн. полупроводников (см. Дальний и ближний порядок). Так, в Ое И 31, имеющих в твёрдой фазе решётку типа алмаза, при плавлении меняется ближний порядок и они становятся жидкими металлами. [c.577]

ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА — разрешённая энергетич. зона в электронном спектре твёрдого тела, не заполненная (в диэлектриках) или частично заполненная (в металлах) электронами при темп-ре Г = 0 К. В полупроводниках электроны появляются в П. з. при Т > >0 К (тепловое возбуждение) или под действием света (оптич. возбуждение), сильных полей и т. п. Так как П. 3. заполнена электронами лишь частично, последние могут под действием внеш. поля переходить на более высокие уровни энергии в пределах этой зоны. Электроны в П. з. (электроны проводимости), наряду с дырками в валентной зове, определяют кннетнч. свойства твёрдых тел — электропроводность и теплопроводность, гальвано- и термомагв. явления н т. п. (см. Зонная теория). э. д/, Эпштейн, [c.131]

В соответствии с Паули принципом в каждом энергетич. состоянии может находиться не более двух электронов (с разными проекциями спина). Поэтому в каждой энергетич. зоне кристалла может поместиться не более 2N электронов, где N — число уровней в зоне, равное числу элементарных ячеек кристалла. При Г=0 К все электроны занимают наиб, низкие энергетич. состояния. Существование Т. т. с разя, электрич. свойствами связано с характером заполнения электронами энергетич. зов при Г=0 К. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие Т. т. не проводят электрич. ток, т. е. являются диэлектриками (изоляторами). Т. т., имеющие зоны, частично заполненные электронами,— проводники электрич. тока — металлы (проводники). Полупроводники отлшчаются от диэлектриков малой шириной запрещённой зоны ig между последней заполненной (валентной) зоной и первой свободной (зоной проводимости), Т. т. с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости наз. полуметаллами. Существуют бесщелевые полупроводники, зона проводимости к-рых примыкает к валентной зоне. [c.46]

Достаточно наглядное представление о причинах, определяющих различия в электрической проводимости в проводниках, полупроводниках и диэлектриках, дает так называемая зонная теория электропроводности. В металлах — проводниках с электронной электропроводностью — наиболее удаленные от ядра (валентные) электроны имеют возможность достаточно свободно переходить от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости, т. е. появлению болвдого тока при сравнительно мадом напряжении. Для осуществления такого перемещения внутри тела электроны должны возбуждаться, т. е. приобретать некоторую добавочную энергию по сравнению с той, которую они имели в атомах до выхода из них. Согласно современным физическим представлениям увеличение энергии электронов может происходить только определенными порциями — квантами . В нормальном невозбужденном состоянии электроны в совокупности атомов, образующих данное тело, могут иметь только определенные значения энергии (занимать определенные энергетические уровни). Эти уровни образуют полосу — зону, которая при температуре абсолютного нуля (О К) заполнена электронами. Если для данного тела не существовало бы других дозволенных уровней энергии, то электроны не могли бы перемещаться от одного атома к другому, так как они не могли бы менять своего энергетического состояния и вынуждены были бы оставаться в заполненной зоне. Из-за возможных, но не занятых при низких температурах более высоких энергетических уровней электроны могут, возбуждаясь, например, при повышении температуры, перемещаться от одних атомов к другим. [c.7]

ДИЭЛЕКТРИКИ (англ. diele tri , от греч. dia — через, сквозь и англ. ele tri — электрический), вещества, плохо проводящие электрич. ток. Термин Д. введён Фарадеем для обозначения в-в, в к-рые проникает электрич. поле. Д. явл. все газы (неиони-зованные), нек-рые жидкости и тв. тела. Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их уд. электрич. сопротивление р 10 — 10 Ом См. Количеств, различие в электропроводности Д. и металлов классич. физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные эл-ны, а в Д. все эл-ны связаны с атомами. Электрич. поле не отрывает их от атомов, а лишь слегка смещает. Квант, теория твёрдого тела объясняет разные электрич. св-ва металлов и Д. разл. характером распределения эл-нов по уровням энергии. В Д. верхний заполненный эл-нами энергетич. уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, к-рую эл-ны под действием обычных (не слишком сильных) электрич. полей преодолеть не могут (см. Зонная теория). Действие электрич. поля сводится к перераспределению электронной плотности, к-рое приводит к поляризации Д. Резкой границы между Д. и полупроводниками провести [c.176]

Зонная структура твердого тела является результатом взаимодействия волновой функции электрона с рещеткой. Зонная структура позволяет найти частоты и направления, для которых волновая функция электрона может или не может проходить через решетку. Отражение электронной волны под углами Брэгга от кристаллографических плоскостей является идеально упругим и не вносит вклада в электрическое сопротивление. Для каждого кристалла и каждой электронной конфигурации условия Брэгга налагают определенные ограничения на направление волнового вектора и значения энергий, которые может принимать электронная волна. Эти ограничения в направлениях и значениях энергий приводят к появлению щелей в почти непрерывном спектре энергий и направлений. Именно эти щели (порядка 1 эВ для полупроводников и 5 эВ или больше для хороших диэлектриков) обусловливают сильнейшие различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками (рис. 5.2). Для металлов характерно, что уровень Ферми оказывается внутри зоны, имеющей вакантные энергетические уровни. Полупроводники имеют полностью заполненную разрешенную зону. Ширина запрещенной зоны у них невелика, н поэтому ие большое число электронов при тепловом возбуждении может перейти в расположенную выше разрешенную зону. Диэлектрик отличается от полупроводника тем, что его запрещенная зона очень велика, и практически ни один возбужденный электрон не может ее преодолеть. [c.190]

Рис. 9.1. Схема заполнения электронами разрешенны.х энергетических зон в диэлектрике (изоляторе), металле, полуметчлле и двух типах полупроводников. Прямоугольники вдоль вертикали изображают области разрешенных значений энергии. Штриховкой показаны области, заполненные электронами.

С точки зрения зонной тpyктypы наиболее важной особенностью металлов является то, что в них верхняя энергетическая зона, содержащая электроны (зона проводимости), имеет незанятые уровни. В диэлектриках и полупроводниках при низких температурах (близких к О К) верхняя, целиком заполненная электронами энергетическая зона (валентная зона) отделена от следующей — пустой — зоны разрешенных энергий (зона проводимости) запрещенным участком конечной величины Eg [c.7]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...