Обобщение некоторых выводов зонной теории для объяснения электропроводности и классификации твердых тел

Подведем итоги изложенному выше в виде положений, сформули­рованных акад. А. Ф. Иоффе и его школой на основании работ рус­ских и зарубежных исследователей.

1. Твердое тело представляет единую систему, в которой энергетические состояния электронов образуют зоны, отделенные друг от друга промежутками запрещенных значений энергии — запре­щенными зонами (рис. 1.4, 1.5).

Ширина энергетической зоны определяется видом материала и строением кристалла.

Валентные зоны большинства твердых тел имеют ширину в несколько электрон-вольт.

В кристалле между электронами определенного атома и электро­нами соседних атомов существует взаимодействие, наиболее сильное для электронов, принадлежащих самым внешним оболочкам атомов. Следовательно, расщепление энергетических уровней в верх­них зонах кристалла самое значительное, а ширина зон оказывается наибольшей.

Взаимодействие между электронами глубинных уров­ней (внутренних оболочек) соседних атомов много слабее, и нижние зоны оказываются более узкими. Для самых низких зон, т. е. для наиболее глубоких электронных оболочек, взаимного влияния почти нет, так как электроны на них экранированы от наружного простран­ства внешними электронными оболочками. Поэтому по ширине зоны почти сравнимы с отдельными электронными уровнями, как это видно из рис. 1.3. Ширина запрещенных зон у разных веществ раз­лична и может достигать 8 эв. Ширина запрещенной зоны меняется с температурой. Это происходит по двум причинам: 1) из-за из­менения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки; 2) из-за изменения междуатомных расстояний, т. е. объема тела. Первая причина приводит к сужению запрещенной зоны с повышением тем­пературы; вторая —может вызывать как сужение, так и расширение запрещенной зоны при повышении температуры, что определяется ходом кривых на рис. 1.4.

2. Электрический ток возникает в твердом теле при любой тем­пературе, если валентная зона или объединенная полоса перекрытия зон не полностью заполнена электронами.

В этом случае свободно осуществляются энергетические переходы (расстояние между уров­нями около 10-²² эв), обусловленные ускорением электронов во внешнем электрическом поле (энергия, приобретенная электроном на длине свободного пробега около 10^-8—10^-4 эв). Электропровод­ность такого твердого тела имеет металлический характер.

3. Если между валентной полностью заполненной зоной твердого тела с идеально упорядоченной решеткой и свободной зоной воз­бужденных состояний имеется запрещенная зона конечной ширины, то при абсолютном нуле, полном затемнении и не слишком сильном внешнем электрическом поле твердое тело будет совершенным ди­электриком.

При повышении температуры или освещении такого тела электроны из валентной зоны будут переходить в зону возбуж­денных состояний и участвовать в электропроводности. В отличие от металла, у которого проводящее состояние является нормальным, не требующим перехода электронов через запрещенную зону, про­водящее состояние твердого тела с совершенно заполненной зоной является возбужденным состоянием.

С точки зрения зонной теории разделение неметаллических мате­риалов на полупроводники и диэлектрики совершенно условно, так как оно не обосновывается никакими качественными физическими особенностями, и вся разница между ними заключается в ширине запрещенной зоны. Нельзя установить также граничное значение ширины запрещенной зоны, которое отделяет класс полупровод­ников от класса диэлектриков. Можно лишь указать, что у твердых тел, причисляемых к полупроводникам, ширина запрещенной зоны не

превышает 3 эв. Приведенные выводы можно иллюстрировать с помощью рис. 1.6, на котором изображены энергетические диа­граммы для металлического проводника электрического тока, элек­тронного полупроводника и диэлектрика.

Рис.1.6. Энергетическое отличие

Таким образом, электрические свойства всех твердых тел полу­чают теоретическую интерпретацию с единой точки зрения: энергия возбуждения носителей заряда, или энергия активации электропро­водности, равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящем при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков. Хорошо проводящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить все твер­дые тела по этому признаку.