Ленточная теория твердых тел

Квантовая физика описывает состояния электронов в атоме по четырехчастной схеме квантовых чисел . . Квантовые числа описывают допустимые состояния электроны могут находиться в атоме. Если использовать аналогию с амфитеатром, квантовые числа описывают, сколько рядов и мест доступно. Отдельные электроны можно описать комбинацией квантовых чисел, как зритель в амфитеатре, назначенный на определенный ряд и место.

Подобно зрителям в амфитеатре, перемещающимся между сиденьями и рядами, электроны могут менять свой статус, учитывая наличие доступных пространств для размещения и доступной энергии. Поскольку уровень оболочки тесно связан с количеством энергии, которой обладает электрон, «скачки» между уровнями оболочки (и даже подоболочки) требуют передачи энергии. Если электрон должен перейти в оболочку более высокого порядка, это требует, чтобы электрону была передана дополнительная энергия от внешнего источника. Используя аналогию с амфитеатром, человеку требуется увеличение энергии, чтобы переместиться на более высокий ряд сидений, потому что этот человек должен подняться на большую высоту против силы тяжести. И наоборот, электрон «прыгает» в нижнюю оболочку, отдавая часть своей энергии, как человек прыгает на нижний ряд сидений, при этом затраченная энергия проявляется в виде тепла и звука.

Не все «прыжки» равны. Скачки между разными оболочками требуют значительного обмена энергией, но прыжки между подоболочками или между орбиталями требуют меньшего обмена.

Когда атомы объединяются, образуя вещества, самые внешние оболочки, подоболочки и орбитали сливаются, предоставляя электронам большее количество доступных уровней энергии. Когда большое количество атомов находится близко друг к другу, эти доступные уровни энергии образуют почти непрерывную полосу при этом электроны могут двигаться, как показано на рисунке ниже

Перекрытие электронных полос в металлических элементах.

Ширина этих полос и их близость к существующим электронам определяет, насколько подвижными будут эти электроны при воздействии электрического поля. В металлических веществах пустые зоны перекрываются с зонами, содержащими электроны, а это означает, что электроны одного атома могут переходить в то, что обычно было бы состоянием более высокого уровня, с небольшой дополнительной энергией или без нее. Таким образом, внешние электроны считаются «свободными» и готовы двигаться по указанию электрического поля.

Перекрытие полос не будет происходить во всех веществах, независимо от того, сколько атомов близко друг к другу. В некоторых веществах остается значительный промежуток между самой высокой зоной, содержащей электроны (так называемая валентная зона ) и следующая зона, которая пуста (так называемая зона проводимости ). См. Рисунок ниже. В результате валентные электроны «привязаны» к составляющим их атомам и не могут стать мобильными внутри вещества без передачи значительного количества энергии. Эти вещества являются электрическими изоляторами.

Разделение электронных зон в изоляционных материалах.

Материалы, относящиеся к категории полупроводников имеют узкую щель между валентной зоной и зоной проводимости. Таким образом, количество энергии, необходимое для перевода валентного электрона в зону проводимости, где он становится подвижным, довольно невелико. (Рисунок ниже)

Разделение электронных зон в полупроводниках, (а) множество полупроводниковых близких атомов по-прежнему приводит к значительной ширине запрещенной зоны, (б) множество близких металлических атомов для справки.

При низких температурах имеется небольшая тепловая энергия, чтобы протолкнуть валентные электроны через этот зазор, и полупроводниковый материал действует скорее как изолятор. Однако при более высоких температурах окружающей тепловой энергии становится достаточно, чтобы заставить электроны пересекать зазор, и материал увеличивает проводимость электричества. Трудно предсказать проводящие свойства вещества, исследуя электронные конфигурации составляющих его атомов. Хотя все лучшие металлические проводники электричества (серебро, медь и золото) имеют внешние s подоболочки с одним электроном, взаимосвязь между проводимостью и количеством валентных электронов не обязательно согласуется:

Конфигурации электронных зон, образованные соединениями различных элементов, не поддаются легкой ассоциации с электронными конфигурациями составляющих их элементов.

ОБЗОР:

• Энергия требуется, чтобы переместить электрон из валентной зоны в более высокую свободную зону, зону проводимости. Для перемещения между оболочками требуется больше энергии, чем между подоболочками.
• Поскольку валентная зона и зона проводимости перекрываются в металлах, электрон уносит небольшую энергию. Металлы - отличные проводники.
• Большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости изолятора требует большой энергии для удаления электрона. Таким образом, изоляторы не проводят ток.
• Полупроводники имеют небольшой неперекрывающийся зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Чистые полупроводники не являются хорошими изоляторами и проводниками. Полупроводники полупроводники.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист "Электропроводность в полупроводниках"