Зонная зона валентная

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]

Рис. 8.17. Соотношения энергий между валентной зоной, зоной проводимости и уровнем Ферми а — в изолированных полупроводниках п- н р-типов б —в полупроводнике, содержащем сформированный р—л-переход.

Иначе говоря, полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний. При этом ширина запрещенной зоны у полупроводников от десятых долей до 3 эВ, а у диэлектриков от 3 до 5 эВ (рис, 72). [c.265]

Наиболее простое объяснение физических свойств полупроводников может быть дано на основе представлений зонной теории твердого тела. При образовании кристалла полупроводника происходит расщепление в зону энергетических уровней валентных электронов и электронных уровней возбужденных состояний. В результате в кристалле полупроводника возникают две зоны (рис. 30). Первая из этих зон (/) возникает в результате расщепления низших энергетических уровней в атоме. Она заполняется валентными электронами в нормальном квантовом состоянии. В теории полупроводников эта зона называется валентной зоной или заполненной зоной. [c.160]

Орбитали энергетической зоны заполняются двумя электронами, как и орбитали атома и молекулы, в порядке их расположения по энергиям и в соответствии с принципом Паули. Следовательно, максимально возможное число электронов в зонах, возникающих за 1 чет перекрывания s-, р-, d-, /-... атомных орбиталей, соответственно равно 2N (s-зона), 6N (р-зона), 10 N (/ -зона), 14 N (/-зона)... Зона, которую занимают электроны, осуществляющие связь, называется валентной (на рис. 75 степень заполнения валентной зоны показана штриховкой). Свободная зона, расположенная энергетически выше валентной, называется зоной проводимости. [c.116]

Особенностью проводников является перекрытие валентной зоны и зоны проводимости. Валентная зона частично заполнена электронами. При наложении электрического поля электроны приобретают дополнительную энергию и электроны валентной зоны могут перемещаться в зону проводимости. Это характерно для всех металлических кристаллов, где валентная зона либо не [c.131]

Согласно современным представлениям в металлическом кристалле электроны ведут себя не так, как в отдельных, свободных атомах, например в атомах паров металла. В последнем случае электроны могут располагаться в каждом атоме лишь на ограниченном числе энергетических уровней. В кристалле же эти энергетические уровни для валентных электронов расширяются вследствие объединения одинаковых уровней всех отдельных атомов данного кристалла. Такие объединения называются электронными зонами, или полосами. Электроны, принимающие участие в химической связи (валентные), располагаются в отдельной зоне, называемой валентной. Выще располагается свободная от электронов энергетическая зона, или зона проводимости. В металлах при наложении разности электрических потенциалов электроны легко переходят из нижней валентной зоны в верхнюю свободную зону проводимости. Именно поэтому металлы являются хорошими проводниками электричества. [c.164]

Действительно, для того чтобы участвовать в переносе тока, электрон должен получить некоторую дополнительную энергию от лектрического поля н перейти на более высокий (вакантный) уровень, где он может передвигаться (дрейфовать) в соответствии с приложенным полем. Однако если все уровни в зоне заняты, а следующая разрешенная зона (зона проводимости) с вакантными уровнями находится далеко, п энергия, необходимая для перевода электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости, значительно превосходит энергию поля, то ток через систему не может пойти, несмотря иа наличие свободных уровней. [c.136]

Рис. 28. Относительные размеры энергетических зон электронов -валентной (В), запрещенной (3) и проводимости (П) — для кристаллов диэлектриков (а), полупроводников (б) и металлов (в)

Ширина энергетической зоны зависит от характера электронных орбиталей взаимодействуюш,их атомов (5-, р-, д.- и /-состояния), а также от глубины их перекрывания. Так,внутренние электронные орбитали атомов перекрываются довольно слабо. Поэтому образуемые ими зоны узки. Кроме того,такие зоны полностью или почти полностью заполнены электронами, так что их вклад в проводимость кристалла незначителен. Напротив, зоны, соответствующие валентным электронным состояниям, широки, хотя и в этом случае зоны, образованные ( -орбиталями, обычно значительно уже зон, сформированных р- и особенно х-орбиталями с тем же главным квантовым числом. [c.83]

В отличие от металлов, в неметаллических структурах электронами заполнены все возможные подуровни валентной зоны. Изменение состояния какого-либо электрона могло бы поэтому произойти только путем перевода его в следующую возможную зону ( зону проводимости ). Так как такой перевод обычно требует очень большой затраты энергии (например, около 6 эв для алмаза), он не происходит, что внешне выражается отсутствием у неметаллических структур хорошей электропроводности и других особенностей, характерных для металлов. [c.112]

Зона проводимости, валентная и запрещенная зоны. [c.231]

Не вдаваясь в подробности строения зон, подчеркнем, что полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них при Т 0° К всегда полностью заполнена электронами, а ближайитя свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний Ширина запрещенной зоны АБ у полупроводников — от десятых долей электрон-вольт до 3 эв (условно), а у диэлектриков — от 3 до 5 эв (условно) Если между полупроводниками и диэлектриками имеется только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в металле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (рис. 71, а). [c.235]

Верхнюю из заполненных разрешенных зон называют валентной, а наиболее низкую из незаполненных (целиком или частично) — зоной проводимости. На рис. 7.6 схематически на энергетической диаграмме изображены возможное относительное расположение валентной зоны (обозначена В ) и зоны проводимости (обозначена П ) в твердых телах и их заполнение электронами эти зоны разделены зонами запрещенных энергий, или энергетическими щелями — электроны не могут находиться в этих энергетических состояниях. [c.137]

Таким образом, в ионных веществах верхняя зона зона проводимости — оказывается полностью свободной, а нижняя — валентная — целиком занятой. Подобные вещества, как говорилось в предыдущем параграфе, являются изоляторами. Чем боль- [c.138]

Дискретным уровням атома в твердом теле соответствует всегда дискретная система разрешенных зон, разделенных запрещенными зонами. Если электроны образуют в атомах или моле1<улах законченную группу, то прн образовании из них твердого или жидкого вешества созда ются зоны с полностью заполненными уровнями, поэте му такие вещества при абсолютном нуле имеют свойства изоляторов. Сюда относятся решетки благородных газов, молекулярные и ионные решетки соединений с насыщенными связями. В решетках алмаза, кремния, германия, а-олова, соединений тяпа А" В , А В , Si каждый атом связан единичными ковалентными связями с четырьмя ближайпгими соседними, так что вокруг него образуется законченная группа электронов s p и валентная зона оказывается заполненной. Необходимо подчеркнуть, что полупроводники и диэлектрики отличаются от Металлов тем, что валентная зона у них при Гл О К всегда полностью заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний. Ширина запрещенной зоны АЕ у полупроводников — от десятых долей до 3 эВ (условно), а у диэлектриков — то 3 до 5 эВ (условно). Если между полупроводниками и диэлектриками имеется только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в металле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (рис. 71, а). [c.292]

Для возбуждения проводимости в полупроводнике необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии не меньше, чем АЕ, электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог преодолен, то чистый (собственно) полупроводник имеет электронную проводимость. Чем меньше ширина запрещенной зоны А , тем больше проводимость при [c.235]

В теории электронного строения полимерных молекул широко используются такие характеристики спектра макромолекул, как ширина запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, которую можно использовать на качественном уровне строгости для характеристики электропроводности соответствующих полимеров. Представляет определенный интерес анализ зависимости ширины запрещенной зоны и других характеристик энергетических зон ог структуры соответствующих МГ. Эти вопросы в ряде случаев могут быть решены без проведения расчетов на ЭВМ с помощью графических методов. [c.59]

За счет расщепления двух уровней атома образуются две зоны. У атомов неметаллов эти зоны располагаются далеко друг от друга (рис. 26.4, в), а у металлов близко и даже перекрываются, как это показано на рис. 26.4, а. Заштрихованные зоны заполнены валентными электронами, незаштрихованные— свободными электронами (зона проводимости). Электроны металла размещаются по подуровням зоны так, чтобы сначала заполнялись наиболее глубоко лежащие подуровни, а по мере их заселения — менее глубокие (выполнение условия стремления системы к минимуму энергии). У металлов, имеющих мало валентных электронов, заполненными оказываются только наиболее [c.339]

Неметаллические структуры (рис. 26.4, в) отличаются от металлических, поскольку у образующих их атомов заполнены все подуровни валентной зоны, а увеличение запаса энергии электрона, достаточное для перехода его в следующую зону (зону проводимости), требует большой затраты энергии АЕ3. Например, для алмаза эта энергия составляет б эВ. Преодоление такого энергетического барьера в обычных условиях оказывается невозможным, в связи с чем неметаллы не обладают электронной проводимостью. [c.340]

Ближайшей по энергии зоной проводимости к хр -гиб-ридной валентной зоне в кристалле кремния является зона, образованная перекрыванием вакантных 3 -орби-талей того же слоя и близких к нему по энергии 45-орби-талей. Так как эта зона с валентной зоной не перекрывается, т. е. разделена запреи енной зоной, то для перехода электронов в зону проводимости необходимо их возбуждение (нагревание, облучение и т. д.). Если ширина запрещенной зоны превышает 4 эВ, то возбудить электрическую проводимость в веществе путем нагревания невозможно, поскольку кристалл расплавится раньше, чем возникнет проводимость. [c.86]

Как и в ковалентных кристаллах, валентные электроны взаимодействующих атомов полностью заполняют зону с более низкой энергией (валентная зона). Зона же проводимости, образованная внешними орбиталями второго атома, пуста, и переброс в нее электронов требует затраты энергии. В кристалле ЫаС1, например, все Зр-электро-ны атомов хлора и Зз-электроны атомов натрия заполняют зону с более низкой энергией, образованную взаимодействием Зр-орбиталей атомов хлора. Зона же, соответствующая Зз-орби-талям атомов натрия (зона проводимости), оказывается незаполненной, причем ширина запрещенной зоны достигает 7 эВ. Электронная проводимость большинства ионных кристаллов примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов. Известен ряд ионных кристаллов, ширина запрещенной зоны у которых не так велика и составляет порядка 2—3 эВ, как, например, у кристаллов СигО. Такие вещества при высоких температурах проявляют полупроводниковые свойства. [c.86]

Если наивысшая по энергии полностью заполненная зона отделена от наинизшей по энергии пустой зоны небольшой энергетической щелью, то некоторые электроны могут быть термически возбуждены из заполненной зоны в пустую. Наивысшую заполненную зону часто называют валентной зоной, а пустую зону — зоной проводимости, поскольку любые электроны, попадающие на нее, будут проводить электричество. [c.234]

В М. существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллич. решетка образована положит, ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки. М. можно представить в виде остова из положит, ионов, погруженного в электронный газ , к-рый компенсирует силы взаимного отталкивания положит, ионов. Энергия этих делокализованных электронов-электронов проводимости-отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у М. отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости (см. Твердое тело). [c.52]

Начнем с лития. В свободном (газообразном) состоянии в атоме лития два электрона находятся на 15- и один на 25-орбиталях. При образовании кристалла АО перекрываются, причем в наибольшей степени, естественно, внешние валентные 2 , и образуется такое же число молекулярных. Мы говорим, что происходит расщепление атомных орбиталей в зону. В литии образуются две такие зоны 15 и 25. Первая из них возникает при взаимодействии внутренних орбиталеи это взаимодействие (перекрывание АО) относительно мало, и потому зона узка. Так как на каждой из 15-АО Ы было по два электрона, то и все образовавшиеся МО этой зоны содержат по два электрона — зона целиком заполнена, следовательно, не дает вклада в энергию связи (ведь число связывающих и антисвязывающих орбиталей в зоне одинаково). Зона, образованная валентными 25-АО, значительно шире и заполнена, очевидно, наполовину. [c.134]

Зонная структура электронных энергетических уровней в полупроводниках имеет промежуточный характер между описанными выше для проводников (металлов) и изоляторов (ионных и ковалентных твердых веществ). Особенность полупроводников заключается в том, что у них сравнительно небольшая ширина запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. Вследствие этого даже при довольно незначительном повышении температуры электроны получают возможность перескакивать через запрещенную зону и оказываются в зоне проводимости. В некоторых случаях переход электронов в зону проводимости осуществляется в результате поглощения света, что приводит к появлению фотопроводимости (см. рисунок). [c.391]

К Д. относятся почти все неионизиров. газы (е 1), вода (е = 81), нефт. масла (е = 2—3), бензол (е = 2,3), орг. полимеры [полистирол (е = 2,2), полиэтилен (е = 2,3) и др.], стекла (е 4). Кристаллич. Д.— ионные кристаллы (е = 4—10), алмаз (е = 5,7), кварц (е=4,3), слюды (е = 6—8), лед (е = 73), титанаты металлов (е 4000). Диэлектрич. св-ва кристаллов в рамках зонной теории тв. тела объясняются наличием широкой (> 3 эВ) запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. Вследствие этого электроны проводимости и дырки в Д. практически отсутствуют, а электрич. проводимость обусловлена гл. обр. ионами. В жидких Д. электрич. проводимость обусловлена ионами примесей, в стеклах — ионами Na и К. [c.192]

Мы рассматривали электрическую проводимость кристаллов в основном состоянии, когда заполнены электронами самые низйие энергетические уровни. Однако кристалл всегда находится в возбужденном состоянии. Дело в том, что при температуре, отличной от абсолютного нуля, в кристаллической решетке всегда имеются тепловые колебаний, характеризующиеся определенной энергией. Если ширина запрещенной зоны невелика, часть этой.энергии может передаваться некоторым электронам, которые переходят в свободную зону. При этом в прежде заполненной валентной зоне образуются свободные энергетические уровни, а в бывшей свободной зоне таких уровней много. При таких ус-.ловиях возможно ускорение движения электронов, как тех, которые остались в валентной зоне, так и тех, которые перешли в свободную зону (зона проводимости). Такая ситуа-. ция характерна для полупроводников. [c.171]

У соседнего с натрием элемента в П1 периоде — магния — 35-зона заполнена целиком и в отсутствие перекрывания с соседней Зр-зоной магний не должен проводить электрический ток. Однако такое перекрывание осуществляется и валентные электроны магния могут легко переходить из Зх-зоны в примыкающую к ней Зр-зону, участвуя в электрической проводимости. В кристалле алюминия 35-зона занята полностью, а Зр-зона — лишь на /е (валентная конфигурация 35 3р, т. е. из шести р-состояпий изолированного атома занято одно). В этом отношении алюминий напоминает натрий, так как на N р-электронов приходится 6М р-состояпий (БМ состояний вакантны). В рассмотренных примерах наблюдается общая закономерность, заключающаяся в том, что валентная зона (зона, в которой находятся валентные электроны либо заполнена частично (5-зона у Ма, р-зона у А1), либо перекрывается с ближайшей к ней вакантной энергетической зогюй (5р-нерекры-вание у Mg), либо сосуществуют оба варианта (натрий). Эти три примера характерны для структуры зон в металлических кристаллах. [c.310]

Для возбуждекия проводимости в полупроводнике необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии ие меньше чем Д электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог нредолен, то чистый (собственно) полупроводник [c.293]

Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей тока и их подв1[жности. Характерная особенность чистых электрон пых полупроводников — быстрое увеличение концентрации проводя щих электронов с ростом температуры. Причина этого состоит в еле дующем. Спектр значений энергии изолированных атомов дискретен Если есть N изолированных атомов, то все они могут иметь одинаковую энергию. Электроны, принадлежащие разным изолированным атомам, могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. В жидкости или кристалле атомы взаимодействуют друг с другом. В результате этого взаимодействия состояния движения электронов, одинаковые в изолированных атомах, становятся различными. Дискретные энергетические уровни изолированных атомов преобразуются в энергетические зоны. Между зонами находятся области запрещенных состояний. Это запрещенные зоны. Если все уровни в зоне полностью заняты электронами, зона называется валентной. Зона, где не все уровни заняты, называется зоной проводимости. Так как уровни энергии в зоне очень близки, электроны зоны проводимости, получая даже небольшие порции энергии, могут изменять свои состояния, в том числе скорость и направление движения. При наложении внешнего электромагнитного поля электроны зоны проводимости, взаимодействуя с этим полем, будут менять состояние своего движения. Возникает электрический ток. [c.163]

Рекомбинационная люминесценция. Как мы видели выше, при собственном поглощении света образуются свободные носители (электрон и дырка), претерпевающие рассеяние, которое в течение времени релаксации заставляет электрон опуститься на дно зоны проводимости, а дырку подняться к потолку валентной зоны. Такое равновесное состояние между свободными носителями и кристаллической решеткой устанавливается за время порядка 10 — 10 с [101. Прямая рекомбинация (переход зона—зона) электрона и дырки с излучением фотона (рис. 80, г, переход 1) наиболее вероятна, если после процесса релаксации волновые векторы электрона и дырки одинаковы (/г = кр). В частности, такой случай реализуется, когда валентная зона и зона проводимости очень чистого, совершенного кристалла (например, 1п8Ь) имеют собст- [c.433]

Электрич. проводимость а Т. т. определяется в первую очередь характером заполнения электронами энергетич. зон (см. рис.). Т. т. с металлич. типом хим. связи (металлы) характеризуются высокой степенью обобществления валентных электронов (электронов проводимости), перекрыванием разрешенных энергетич. зон и частичным заполнением разрешенных зон электронами. Такие Т. т. являются хорошими проводниками. Б отличие от них полупроводники и диэлектрики при Г= О К имеют полностью заполненные лргбо пустые, неперекрывающиеся, разрешенные зоны. Для диэлектриков характерны большие значения ширины запрещенной зоны АЕ между валентной (заполненной) и незаполненной зоной (зоной проводимости), вследствие чего в обычных условиях они практически не содержат своб. электронов и ие проводят электрич. ток. Полупроводники, Гринщшиально не отличаясь от диэлектриков по зонному [c.502]

Аналогичные взаимодействия происходят и между атомами других твердых веществ. Для любого кристалла можно построить валентную зону, образованную валентными атомными орбиталями. Однако металлы отличаются от всех остальных твердьге веществ тем, каким образом их электроны заполняют тесно расположенные энергетические подуровни внутри зоны. Металлы обладают сравнительно небольшим числом валентных электронов, и поэтому их валентная зона оказывается заполненной лишь частично. Поскольку, например, у атомов натрия имеется всего по одному валентному электрону, в металлическом натрии они заполняют лишь часть энергетических уровней валентной зоны. При температуре абсолютного нуля эти электроны занимали бы только самые низкие уровни зоны, но [c.390]

Метод Коуэна и Формена не позволяет проявить отдельно зоны трех валентных состояний плутония. [c.378]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология