Ширина изоляторов

В зависимости от структуры атомов и симметрии кристаллической решетки валентная зона и зона проводимости могут перекрывать рис. 75, б) пли не перекрывать друг друга (рис. 75, а). В последнем лучае между зонами имеется энергетический разрыв, именуемый запрещенной зоной. В соответствии с характером расположения и заполнения зон вещества являются диэлектриками изоляторами), полупроводниками и проводниками (металлами). Ширина запрещенной зоны Af диэлектриков составляет более 3 эВ, полупроводников — от 0,1 до 3 эВ. В металлических кристаллах вследствие перекрывания зон запрещенная зона отсутствует. [c.116]

В изоляторах ширина запрещенной зоны значительна— несколько электрон-вольт (рис. 53), а в полупроводниках она невелика (меньше 10" эв). При достаточно низкой температуре (в отсутствие действия света) полупроводник является изолятором, но при нагревании, начиная с той или другой температуры, указанный переход электронов становится возможным и тело приобретает некоторую проводимость, возрастающую с повышением температуры. (Подобный же эффект может вызываться и действием света). Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости физически означает, что электрон перестает быть связанным с определенным атомом и становится способным перемещаться по объему кристалла. Такой переход некоторого числа [c.148]

Известно, что органические неэлектролиты подчиняются уравнению Аррениуса для электропроводности [67-69]. Причем, вещества с шириной запрещенной зоны ЛЕ > 2 эВ условно относят к изоляторам, вещества с Д Е << I эВ - к органическим металлам, с промежуточными значениями 4 Е - к полупроводникам. [c.32]

Вернемся к литию (см. выше). Каждый его атом представлен одним 25-уровнем в валентной зоне и одним — в зоне проводимости (см. рис. 28). Если кристалл состоит из N атомов лития, то в валентной зоне имеется N энергетических уровней, на каждом из которых могло бы находиться по два электрона. Но у лития имеется только один валентный электрон. Следовательно, половина уровней в этой зоне не заняты. Поэтому валентные электроны перемещаются от одного свободного уровня данной зоны к другому, двигаясь между атомными остовами — положительными ядрами атомов, отчасти заэкранированными электронными оболочками 15 литий электропроводен, это металл. Твердые вещества, такие как алмаз, имеют энергетический спектр с полностью занятыми уровнями валентной зоны, отделенной от зоны проводимости широкой запрещенной зоны. Это изоляторы. Но если ширина запре- [c.104]

Ковалентные кристаллы. Заполнение энергетических зон ковалентного кристалла рассмотрим на примере алмаза, у которого ширина запрещенной зоны АЕ=5,7 эв. Электроны атомов углерода полностью заполняют валентную зону. Поскольку переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует большой энергии возбуждения, которая в обычных условиях не реализуется, алмаз является изолятором. [c.149]

Металлическая проводимость возникает при наличии частично занятых электронами энергетических зон, в пределах которых электроны обладают высокой подвижностью. В непроводящих веществах (изоляторах) имеются полностью заполненные энергетические зоны, отделенные от свободных энергетических зон широкой запрещенной зоной (рис. А.26). У полупроводников ширина запрещенной зоны мала, так что уже при подводе тепловой энергии электроны могут переходить в более высоколежащие зоны. Поэтому в противоположность веществам с металлической проводимостью у полупроводников повышение температуры вызывает увеличение электропроводности. Тот же эффект может наблюдаться при воздействии световой энергии. Это объясняет фотопроводимость у селена. [c.360]

Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 33.1, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны АЕ в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры или увеличении освещенности число электронов, [c.635]

В изоляторах, как мы видели, нижняя зона целиком заполнена, а следующая отделена запрещенной зоной. Если ширина запрещенной зоны Q лежит в пределах 5—10 эВ, то вещество является при всех реальных температурах хорошим изолятором. Однако у некоторых тел, например германия и кремния, ширина запрещенной зоны около I эВ. В этом случае уже при комнатной температуре часть электронов может перейти из нижней заполненной зоны в верхнюю свободную. При этом в верхней зоне возникает электронная проводимость. В нижней зоне появятся дырки , перемещение которых также может осуществить ток. [c.516]

Расположение зон (ближе или дальше друг от друга) и их заполненность электронами обусловливают свойства кристалла как диэлектрика (изолятора), полупроводника и проводника. При условии перекрывания валентной зоны и зоны проводимости вещество ведет себя как проводник. Если зоны не перекрываются, достаточно далеко удалены друг от друга и валентная зона полностью заполнена электронами, вещество проявляет свойства диэлектрика. Энергетический разрыв между зоной проводимости и валентной зоной называется запрещенной зоной. Количественно способность веществ проводить электрический ток оценивается по ширине запрещенной зоны Е. У диэлектриков ширина запрещенной зоны выше 3 эВ, у полупроводников от 3 до 0,1 эВ и у проводников (металлов) запрещенная зона отсутствует, АЕ=0 (рис. 4.15). [c.182]

Для изоляторов заполненная электронами валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Ширина запрещенной зоны между ними достаточно велика и составляет величину (6,416) 10 Дж (4— 10 эВ). Поэтому электроны при возбуждении не могут из валентной зоны перейти в зону проводимости. [c.132]

Последняя определяет различие между изоляторами и полупроводниками у первых ширина запрещенной зоны очень значительна, у вторых сравнительно невелика (для Qe, например, 0,7 эВ, для Si 1,0 эВ). Поэтому в изоляторах электроны полностью остаются в валентной зоне даже при высоких температурах, т. е. распределение, представленное на рис. IV. 10, а, сохраняется. [c.179]

Кристалл, у которого часть нижних зон оказывается заполненной целиком, а более высокие зоны пусты, является диэлектриком (см. рис. 7.6, а). Действительно, в электрическом поле электроны не могут ускоряться, приобретая при этом дополнительную энергию, поскольку их энергетические состояния сверху ограничены. Соответственно электрический ток под воздействием постоянного поля в таких телах не возникает, что и служит основным признаком изоляторов-диэлектриков (исключение составляют сверхсильные поля, которые могут привести к так называемому диэлектрическому пробою, сопровождающемуся нарушением структуры твердого тела, — пробой изоляторов). Типичный изолятор — алмаз с шириной запрещенной зоны 5,7 эВ (см. рис. 7.5). [c.137]

Полупроводники имеют такую же зонную структуру как изоляторы, и при 7 = 0 К ведут себя точно так же, т. е. не проводят электрический ток. Однако ширина запрещенной зоны у них относительно невелика, и при тепловом возбуждении заметное число электронов попадает из заполненной валентной зоны в пустую до этого (при О К) зону проводимости (см. рис. 7.6, в). При повышении температуры число таких электронов и как следствие электропроводность увеличиваются. Типичными полупроводниками являются упоминавшиеся выше кремний, германий, серое олово, имеющие структуру алмаза, но узкую запрещенную зону. [c.137]

Количество веществ с полупроводниковыми свойствами очень велико. Все простые и сложные вещества, не обладающие металлическими свойствами, в широком смысле слова являются полупроводниками, поскольку различие между полупроводниками и изоляторами чисто количественное и определяется шириной запрещенной зоны. Поэтому роль полупроводниковых веществ в химии твердого тела и вообще в неогранической химии исключительно велика. Исследование их свойств позволяет получить обширную информацию о структуре и особенностях химического взаимодействия атомов в твердом состоянии. [c.312]

Несмотря на ограниченную применимость зонной теории, она позволяет судить о возможности изменения характера проводимости в зависимости от внешних условий (давления и температуры). С точки зрения зонной теории основной критерий полупроводимости — это отсутствие перекрывания валентной зоны и зоны проводимости, т. е. наличие зоны запрещенных энергий АЕ (см. рис. 129). Если создать условия, обеспечивающие сближение атомов кремния на расстояние, меньшее Го (д,о Гр), то, как видно из рис. 129, 35/зЗ-гибридная валентная зона и 45-зона проводимости перекрываются и при этом кремний должен обладать металлическими свойствами. Эти условия можно реализовать при всестороннем сжатии под высоким давлением, когда рыхлая тетраэдрическая структура полупроводникового кремния переходит в плотноупакованную структуру металлического типа. Давления, при которых возможен такой переход, как правило, весьма высоки (10 н-10 МПа). Так, при сжатии красной модификации фосфора (изолятор) под давлением 1,2-10 МПа наблюдается переход в более плотную полупроводниковую модификацию (черный фосфор) с шириной запрещенной зоны 0,33 эВ. Дальнейшее сжатие (2,0-10 МПа) приводит к появлению металлической проводимости в черном фосфоре. Переход от рыхлых структур к плотноупакованным металлическим сопровождается уменьшением энтропии аналогично тому, как это происходит при кристаллизации. Напротив, при переходе от плотной упаковки к более рыхлой структуре энтропия возрастает, поскольку увеличиваются амплитуда колебаний атомов и связанная с этим неопределенность положения их в узлах кристаллической решетки. Это эквивалентно увеличению неупорядоченности в кристалле (А5>0). Такой переход реализуется, например, при нагре- [c.320]

Алмаз является изолятором, и как теоретические, так и экспериментальные результаты показывают, что ширина запрещенной зоны составляет 7 эВ. [c.119]

Рис. 202. Ширина запрета для кристаллов полупроводников и изоляторов

НОВ, находящихся у остовов атомов, составляющих решетку кристалла, налагаются друг на друга и запрета для перехода их из одной зоны в другую не существует (рис. 201). Для изоляторов и полупроводников существует ширина запрета , так как энергия валентных электронов, образующих связи в кристалле, значительно ниже энергии электронов проводимости. [c.431]

Понятия изолятор и полупроводник определяются только величиной энергии возбуждения или шириной запрета . Таким образом, если А ->оо, то по уравнению (13.10) [c.431]

Алмаз — изолятор, ширина его запрещенной зоны 5,6 эВ его удельное сопротивление при 25° С равно 5 10 Ом м. Алмаз плавится при 3800° С под давлением 1,0—2,0 ГПа. При температурах выше 1000° С алмаз переходит в графит теплота превращения 1,88 кДж/моль. Структуры алмаза и графита широко известны и мы их описывать не будем. При 3700° С графит возгоняется. Он плавится под давлением 10,3 ГПа около 3700° С. Вдоль оси а (перпендикулярной слоям графита, образованным правильными шестиугольниками нз атомов углерода) графит слабо проводит ток, его электропровод- [c.201]

В изоляторах, как мы видели, нижняя зона целиком заполнена, а следующая отделена запрещенной зоной. Если ширина запрещенной зоны Q лежит в пределах 5— [c.653]

Запрещенная зона является важнейшей характеристикой кристаллического вещества. В соответствии с ее шириной все кристаллические вещества делят на металлы, полупроводники и изоляторы. В металлах ширина запрещенной зоны равна нулю. Если ширина запрещенной зоны большая (выше 4 эВ), то такие веще ства называют изоляторами. В изоляторах не удается перевести электрон в зону проводимости ни путем нагревания, ни применением электрических полей. Вещества, характеризующиеся значениями ширины запрещенной зоны, равными примерно 0,1—4,0 эВ, являются полупроводниками. Их электрическая проводимость при комнатной температуре невелика, а при температурах, близких к О К, они ведут себя как изоляторы. При повышении температуры обычно часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, в результате чего начинает возрастать электрическая проводимость. Таким образом, зависимость электрической проводимости от температуры прин- [c.132]

Если ширина запрещенной зоны очень велика (больше 4 эВ), то электрическую проводимость в веществе (нагреванием или облучением) возбудить практически невозможно. Это объясняется тем, что энергия теплового возбуждения электронов при нагревании даже до температуры плавления (Е = /2 кТ ) недостаточна для преодоления зоны запрещенных энергий. Следовательно, при нагревании кристалл расплавится прежде, чем возникнет электронная проводимость. Такие вещества называются изоляторами. К их числу относятся, например, алмаз (АЕ = 5,1 эВ), кварц (АЕ = 5,2 эВ), многие типичные соли и т.п. [c.191]

Кремний. Особенности химии кремния. Второй типический элемент IV группы — кремний — является типовым аналогом углерода. Как и у углерода, у атома кремния в невозбужденном состоянии на 5-орбита/[и находят ся два спаренных электрона, а р-орбитали имеют два неспаренных электрона. Разница в том, что атом углерода располагает валентными электронами при главном квантовом числе 2, а атом кремния характеризуется тем же числом валентных электронов (4) при я = 3. В связи с увеличением числа электронных слоев по сравнению с углеродом у кремния наблюдаются рост атомного радиуса, понижение потенциала ионизации, уменьшение сродства к электрону и ОЭО. Возрастание радиуса ведет к увеличению длины и уменьшению прочности межатомных связей, особенно в гомоатомных соединениях, вследствие чего растет электрическая проводимость и сужается ширина запрещенной зоны. Поэтому углерод в виде алмаза представляет собой изолятор, а кремний — полупроводник. В целом переход от первого типического элемента ко второму свидетельствует о нарастании металличности и ослаблении неметаллических свойств. Однако вследствие наличия большого числа валентных электронов этот переход более плавный, чем в III группе от бора к алюминию. [c.369]

Возвращаясь к табл. 120, можно сделать вывод, что кристаллы алмаза следует отнести к изоляторам, кристаллы кремния и германия — к полупроводникам, а кристаллы олова практически метал-личны, так как ширина запрета для них очень мала, что и было отражено на рис. 197 — шкала сопротивлений. Однако при сильных возбуждениях от частиц высоких энергий кристаллы алмаза могут получить свойства полупроводников. [c.446]

В изоляторах нет вакансий ни на одном из уровней валентной зоны, н расстояние между ней и следующей возбужденной зоной нелнко. Ширина запрещеиио11 зоны Ед области, где электроны не могут находиться в силу запрета Паули, составляет здесь несколько электропвольт. Для таких типичных изоляторов, как алмаз или оксид цинка, она равна, соответственно, 5,6 и 3,2 эВ. При наложении ноля электроны не могут обеспечить прохождение тока, поскольку все уровни валентной зоны целиком заполнены, а энергия, необходимая для перевода их на следующую зону, значительно больше обычных энергий поля. [c.136]

В периодической системе нет резкой границы между элементами с металлической структурой и элементами с ковалентной каркасной структурой (рис. 14-8). Это видно из того, что кристаллы некоторых элементов обладают свойствами, промежуточными между проводниками и изоляторами. Кремний, германий и а-модификация олова (серое олово) обладают кристаллической структурой алмаза. Однако межзонная щель между заполненной и свободной зонами в этих кристаллах намного меньше, чем для углерода. Так, ширина щели для кремния составляет всего 105 кДж моль (Как мы уже знаем, для углерода она равна 502 кДж моль .) Для германия ширина межзонной щели еще меньше, 59кДж моль а для серого олова она лишь 7,5 кДж моль Ч Металлоиды кремний и германий называются полупроводниками. [c.631]

Зонная теорий ( 50) показывает, что изоляторы и полупроводники в отличие от металлов не содержат частично заполненных энергетических зон. В изоляторах и полупроводниках (при отсутствии теплового или другого возбуждения) зоны, следующие за валентными (заполненными) зонами, являются пустыми, т. е. не. содержат электронов. Проводимость может возникнуть в них только в результате частичного перехода электронов из валентной зоны в ближайшую пустую зону. Возможность и вероятность такого перехода зависит прежде всего от того, насколько эта зона находится выше (по энергетическому уровню), чем валентная зона, т. е. какова затрата энергии, необходимая для такого перехода. Энергетический интервал между этими зонами называют запрещенной зоной, так как в этом интёрвале энергии электроны не могут находиться. Количество энергии, необходимой для указанного перехода, называют обычно шириной запрещенной зоны и выражают в электрон-вольтах. [c.148]

Так как свойства вещества — механические, электрические, оптические, химические — определяются энергетическим состоянием валентных электронов, то в первую очередь нас интересует соответствующий участок энергетического спектра. Параметры последнего — значения ширины валентной, запрещенной зон, зоны проводимости и положение различных локализованных уровней — могут быть определены путем изучения оптических спектров, электропроводности и других свойств твердого вещества (см. гл. IX). Зная эти параметры, можно решать обратную задачу определять по ним неизвестные нам свойства вещества. Не случайно общепринятое деление твердых веществ на изоляторы, проводники, полуметаллы и металлы основывается на значениях ширины запрещенной зоны. Возьмем, например, ряд простых веществ алмаз, кремний, германий, олово, свинец. Каждое из этих вещёств по-своему замечательно и каждое используется как незаменимый материал, но в совершенно различных областях техники, а кремний и германии находят применение в полупроводниковой технике. Природа данных веществ изменяется скачками, как атомные номера соответствующих элементов. Скачками изменяется и ширина запрещенной зоны при переходе от одного аналога к другому. Для алмаза эта величина составляет 5,6 эВ. Это — изолятор, самое твердое из веществ. Для кремния она равна 1,21 эВ. Такой энергетический барьер уже много доступнее для валентных элек- тронов отсюда полупроводниковые свойства данного вещества. Ширина запрещенной зоны германия 0,78 эВ — он полупроводник с высокой подвижностью носителей тока — электронов и дырок. Наконец, серое олово по ширине запрещенной зоны, равной всего 0,08 эВ, занимает последнее место в данном ряду и относится скорее к металлам, чем к полупроводникам, а белое олово — настоящий металл. Так с изменением ширины запрещенной зоны закономерно изменяется природа твердого вещества. [c.105]

При температуре абсолютного нуля, в отсутствие других внешних воздейставй электроны в полупроводниках не обладают энергией, достаточной для преодоления запрещенной зоны. Поэтому полупроводник в этих условиях является изолятором. Следовательно, деление веществ на полупроводники и диэлектрики ус.товио. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура, при которой возникает электронно-дырочная проводимость. [c.151]

Нефть в электродегидратор поступает через штуцер 1 и далее в распределительный коллектор 2 в нижнюю часть электродегидратора под слой дренажной соленой воды. Распределитель сырья представляет собой коллектор, проходящий по всей длине аппарата, с присоединенными к нему горизонтальными перфорированными отводами. В верхней части аппарата устанавливается сборник обессоленной нефти 5, конструктивно выполненный примернотакже, как и распределитель сырой нефти. Обессоленная нефть выводится через штуцер 6. Такое расположение распределителя сырья и сборника обессоленной нефти позволяет потоку сырой нефти (эмульсии) двигаться вертикально вверх по всей ширине аппарата с равномерной скоростью, а это обеспечивает наибольшее число соударений капелек дисперсной фазы, движущейся вверх с капельками воды оседающими вниз, в каждой единице активного объема в единицу времени. Электроды, верхний 4 и нижний 3, расположенные в средней части электродегидратора и проходящие через всю его длину, крепятся к корпусу аппарата с помощью подвесных изоляторов 8, выполненных из фарфоровых гирлянд. Дренаж воды из электродегидратора производится через дренажный коллектор 9 и штуцер 10 автоматически по уровню, для чего каждый аппарат обеспечивается системой непрерывного дренирования воды по уровню. Во избежание образования газовой подушки в верхней части электродегидратора имеется сигнализатор и блокирующее устройство, отключающее подачу напряжения к электродам в случаев если уровень понизился. Поскольку электродегидратор работает под давлением, он оснащен манометром, термометром или термопарой, предохранительным клапаном, срабатывающим при превышении максимально допустимого рабочего давления в нем. Для отбора проб и определения эффективности работы аппарата имеется пробоотборное устройство, снабженное холодильниками. Во избежание потерь тепла аппарат теплоизолирован и сверху покрыт металлическим кожухом. Питание электродегидратора осуществляется от двух повышающих трансформаторов ОМ-66/35, имеющих номинальное напряжение 0,38/1 1-16,5-22 кВ и включенных с низкой стороны последовательно с двумя реактивными катушками РОМ 50/0,5 мощностью 50 кВА. [c.54]

В чистом полупроводнике при полном отсутствии причин его возбуждения, т. е. при О К, все энергетические уровни валентной зоны заняты полностью электронами, а вся зона проводимости свободна. С точки зрения структурной химии это значит, что все валентные электроны находятся в связывающих орбиталях алмазоподобного кристалла, и каждый атом образует с соседними по четыре неразличимые ковалентные связи. В таком состоянии полупроводник является диэлектриком (изолятором), так как электроны в нем не имеют возможности перемещаться. При повышении температуры часть электронов увеличивает свою энергию на определенную величину, необходимую для их перевода из валентной зоны на какой-либо энергетический уровень зоны проводимости. Очевидно, что минимальный прирост энергии электрона необходимый ему для соверщения такого перескока, равен ширине запрещенной зоны Д и может быть назван энергией возбуждения ковалентной связи в кристалле. Иногда для этого достаточно осветить полупроводник или предоставить электронам какую-либо другую возможность поглотить кванты энергии. [c.285]

Электропроводность кристалла при Т = О равна нулю, если валентная зона полностью занята и отделена зоной разрыва от следуюш,ей, более высокой, разрешенной зоны. Проводимость появляется лишь при Т > О, когда часть электронов, расположенных вблизи верхнего края валентной зоны, переходит в более высокую, разрешенную зону, которую называют зоной проводимости (рис. 28, а). Величина проводимости зависит от ширины запреш,енной зоны ео и температуры кристалла. Значение ео определяет различие между полупроводниками и изоляторами. Если ширина запрещенной зоны ео велика, то для переброски в зону проводимости электронам требуется сообщить высокую энергию. Даже при сравнительно высоких температурах ео > кТ, так что валентная зона остается практически полностью занятой, а зона проводимости — полностью свободной. Кристалл проявляет свойства изолятора. Примером может служить алмаз, для которого ширина запрещенной зоны 6—7 эВ . Если величина ео ср авнительно невелика, как в случае германия (0,72 эВ), то уже при невысоких температурах заметное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне появляются свободные места — дырки . Поскольку незанятые состояния имеются как в валентной зоне, так и в зо- [c.187]

Если ширина запрещенной зоны очень велика (больше 4 эВ), то электрическую проводимость в веществе (нагреванием или облучением) возбудить практически невозможно. Это объясняется тем, что энергия теплового возбуждения электронов при нагревании даже до температуры плавления недостаточна для преодоления зоны запрещенных энергий. Следовательно, при нагревании кристалл расплавится прежде, чем возникнет электронная проводимость. Такие вещества называются изоляторами. К их числу относятся, например, алмаз (Д = 5,1 эВ), кварц (Д = = 5,2 эВ), многие типичные соли и т. п. При воздействии на изолятор электрических полей очень высокой напряженности в них наблюдается так называемое явление лавинного пробоя, который связан фактически с разрушением кристаллической решетки изолятора. Естественно, что возникающая при этом электрическая фоводимость не характеризует данное вещество, поскольку механизм ее соверщенно иной. [c.311]

Другой характерной особенностью зонной структуры кремния является то, что следующая вакантная 4я-зона не перекрывается с валентной на межатомных расстояниях г = Го, а отделена от последней зоной запрещенных энергий АЕ. Электроны, находящиеся в валентной зоне, участвовать в электрической проводимости не могут, так как в этой зоне все состояния заняты. Для возбуждения электрической проводимости необходимо любым путем (нагревание, облучение) сообщить электронам энергию, равную АЕ (рис. 90, б). Тогда возбужденные электроны попадают в свободную 4в-зону, которая называется зоной проводимости, и становятся способными участвовать в электрической проводимости. Энергетический промежуток между верхним краем (потолком) валентной зоны и нижним краем (дном) зоны проводимости (АЕ) называется шириной запрещенной зоны. Эта величина представляет собой важнейшую характеристику кристаллического вещества. В зависимости от ширины запрещенной зоны все кристаллические вещества подразделяются на три класса металлы, полупроводники и изоляторы (диэлектрики). В мета.ллах ширина запрещенной зоны равна нулю, так как заполненная и свободная зоны перекрываются между собой и, в сущности, валентная зона одновременно будет и зоной проводимости. Именно способность валено ных электронов в металлах к свободному перемещению по всему объему кристалла и обусловливает их высокие электрическую пройодимость и теплопроводность. [c.191]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология