Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Содержание:

Зонная теория - это квантовая механическая теория, которая рассматривает движение электронов в твердом теле. 

Зонная теория твердого тела

Согласно теории, свободные электроны могут обладать любой энергией. Электроны в атомах твердого тела могут иметь только определенные дискретные значения энергии. Другими словами, спектр энергии электронов в атомах состоит из разрешенных и запрещенных энергетических зон.

Положения зонной теории

Итак, согласно постулатам Бора, электрон в отдельном атоме может находится на одной из нескольких энергетических орбиталей. Иначе говоря, иметь лишь определенные дискретные значения энергии. Когда атомы образуют молекулу, количество орбиталей расщепляется пропорционально числу атомов в молекуле. 

При увеличении количества молекул до макроскопического тела количество орбиталей становится очень большим, а разница между соответствующими им энергиям - очень маленькой. Орбитали сливаются, образуя энергетические зоны. 

Валентная зона - в диэлектриках и полупроводниках наивысшая энергетическая зона, которая заполнена полностью при температуре 0 К. Зона проводимости - следующая за валентной зона. В металлах  зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К.

Зонная теория объясняет различие в электрических свойствах материалов: проводников, полупроводников, диэлектриков. Можно выделить следующие причины различий:

  1. Ширина запрещенных энергетических зон
  2. Разница в заполнении разрешенных энергетических зон электронами.

Зонная структура диэлектриков

Вещество является диэлектриком, когда валентная зона заполнена полностью, в высших зонах нет электронов, также отсутствует перекрытие зон. Такое вещество не проводит ток. Ширина между зонами у диэлектриков условно составляет более 2 электронвольт.

Зонная структура диэлектриков

Зонная структура полупроводников

Вещество является полупроводником, если валентная зона разделена с соседними зонами узкой (менее 2 электронвольт) запрещающей зоной. Отметим, что такое вещество при температуре, близкой к абсолютному нулю, является диэлектриков. Однако при росте температуры электроны из верхней занятой зоны перескакивают в вакантную зону проводимости, и вещество становится электропроводным. Проводимость растет вместе с температурой и концентрацией электронов в зоне проводимости. Соответственно, в заполненной зоне, из которой электроны переходят в зону проводимости, растет концентрация дырок.

Зонная структура полупроводников

Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно. Вещества с шириной запрещённой зоны более 3—4 эВ и менее 4—5 эВ совмещают свойства диэлектриков и полупроводников.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Зонная структура проводников (металлов)

В металлах валентная зона занята не полностью, и при воздействия на проводник разности потенциалов электроны могут свободно перемещаться из точек с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом.

Зонная структура проводников (металлов)

Также в проводниках зона проводимости пересекается с валентной зоной. Получившаяся зона пересечения заполнена не полностью.

Зонная структура проводников (металлов)

Пример

Почему проводимость металлов не растет с увеличением валентности?

Ответ:

Валентность - это способность атома вещества образовать определенное число химических связей. Проще говоря, способность "прикрепить" к себе другой атом.

Однако электропроводность зависит не от количества валентных электронов на один атом, а от числа электронов в валентной зоне, для которых существуют свободные энергетические уровни. Так, у двухвалентных металлов число электронов, которые могут перейти под действием внешнего поля в свободное состояние меньше, чем у одновалентных. Таким образом, электропроводность двухвалентных металлов меньше, чем одновалентных.

Навигация по статьям

Выполненные работы по физике
  • Физика

    Физика и музыкальное искусство. Заказ: 47159

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      10 мая 2017 г.

    • Стоимость:

      400 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Законы физики в электроэнергетике. Заказ: 62646

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      8 октября 2017 г.

    • Стоимость:

      400 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Выполнить тест в системе росдистант по физике по темам

    • Вид работы:

      Online помощь

    • Выполнена:

      22 мая 2017 г.

    • Стоимость:

      900 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Основы термодинамики кристаллов

    • Вид работы:

      Курсовая

    • Выполнена:

      19 мая 2017 г.

    • Стоимость:

      800 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Физико-химические методы очистки техногенных стоков. Общий обзор.

    • Вид работы:

      Курсовая

    • Выполнена:

      4 февраля 2018 г.

    • Стоимость:

      1 000 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    ЭСН и ЭО электромеханического цеха. Заказ: 566930

    • Вид работы:

      Курсовая

    • Выполнена:

      20 февраля 2017 г.

    • Стоимость:

      800 руб

    Заказать такую же работу
  • Не получается написать работу самому?

    Доверь это кандидату наук!