Распределение электронов по энергиям в твёрдом теле

Рассмотрим атом водорода. В возбуждённом состоянии электрон находится недолго и, испуская излишек энергии, переходит в нормальное,  невозбуждённое состояние, характеризуемое наименьшей из всех возможных значений энергией. Состояние с наименьшей энергией - устойчивое состояние. Очевидно, что стремление перейти в энергетически более устойчивое состояние, т.е. «занять» найнизший из всех возможных энергетических уровней, характерно для электронов и многоэлектронных атомов. Означает ли это, что все электроны многоэлектронных атомов имеют в устойчивом состоянии одну и туже энергию? Ответить на этот вопрос позволяет  основное правило квантовой механики - принцип Паули, в соответствии с которым невозможно «скопление» электронов на самом низком энергетическом уровне. Принцип Паули утверждает, что в любой системе взаимодействующих частиц в одном и том же энергетическом состоянии не могут находиться более двух электронов.

В соответствии с принципом Паули электроны «занимают» попарно все энергетические уровни, начиная с самого нижнего. Таким образом, принцип Паули регулирует распределение электронов по энергиям в любой системе, содержащей множество электронов, как в изолированных многоэлектронных атомах, так и в твёрдых телах.

Рассмотрим распределение электронов по энергиям в твёрдом теле. Мы знаем, что образование молекулы из двух изолированных атомов в энергетическом отношении означает образование двух близко расположенных подуровней вместо одинаковых уровней энергии изолированных атомов. Если в изолированных атомах этому уровню энергии соответствовало по одному электрону, то при образовании молекулы оба электрона будут иметь наименьшую из всех возможных значений энергию. В подобных случаях говорят, что электроны «расположатся» на самом низком энергетическом уровне, т.е. согласно принципу Паули они оба «расположатся» на нижнем подуровне, а верхний подуровень окажется «пустым». Если бы каждый изолированный атом имел по два электрона, соответствующих данному уровню энергии, то при образовании молекулы эти четыре электрона «расположились» бы попарно на обоих подуровнях.

Распределение электронов по энергиям справедливо лишь в том случае, если твёрдое тело будет находиться при температуре абсолютного нуля, не подвергаясь никаким внешним воздействиям.

Что же произойдёт, если такое твёрдое тело подвергнуть нагреванию, освещению или облучению ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами или просто создать внутри него электрическое поле? Так как кристалл при этом получает энергию извне, то и энергия электронов должна увеличиваться. С позиции квантовой механики это означает, что электроны получают возможность перейти в новое состояние, соответствующее более высокому энергетическому уровню, если порция энергии, получаемая твёрдым телом извне, достаточна для перевода электронов на один из возбуждённых уровней энергии.

Такая возможность представляется в первую очередь электронам валентной зоны, так как для перехода электронов из заполненных целиком зон, лежащих ниже валентных, нужна слишком большая энергия возбуждения. Следовательно, основную роль во всех энергетических процессах в твёрдом теле играют, в первую очередь, внешние валентные электроны, или с точки зрения зонной теории процессы, разыгрывающиеся в валентной и свободной зонах. Поэтому, как правило, на зонной диаграмме изображают только валентную и свободную зоны.

Нетрудно показать, что при нагревании кристалла до комнатной температуры или под действием электрического поля источника тока электрон приобретает энергию, достаточную лишь для внутризонных переходов.

5.6. Электропроводность твёрдых тел на основе зонной теории

Зонная теория впервые позволила объяснить многие явления в твёрдых телах с единых позиций. Рассмотрим с позиции зонной теории механизм электропроводности кристаллов.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряжённых частиц в веществе под действием сил электрического поля. Электрическое поле, действуя на электроны, ускоряет их на расстоянии свободного пробега λ и сообщает им энергию, равной работе электрической силы Е на перемещении λ. Электрический ток возникает лишь в том случае, если верхняя энергетическая зона не полностью занята электронами, т.е. число подуровней энергии в зоне превышает число электронов. Такую зону называют зонной проводимости. Таким образом, если валентная зона не полностью занята электронами, то твёрдое тело всегда будет проводником электрического тока. Этот случай заполнения валентной зоны соответствует металлам, входящим в первую группу периодической системы Д.И.Менделеева. Ведь у них имеется всего по одному валентному электрону. В твёрдом теле из N таких атомов будет и N валентных электронов. Но, располагаясь в валентной зоне твёрдого тела по 2 электрона на уровень, они займут только половину, т.е. N/2 уровней из N возможных.

Для металлов второй группы периодической системы полностью заполненная валентная зона перекрывается с какой-нибудь незаполненной зонной.

Верхний занятый электронами металла энергетический уровень при Т=0 К называют уровнем Ферми. Энергия Ферми Е_ф составляет приближённо 10 эв. Уровень Ферми играет большую роль в квантовых представлениях о твёрдом теле.

Рассмотрим теперь энергетический спектр твёрдого тела. В валентной зоне все энергетические уровни полностью заняты электронами, а свободные уровни отделены от валентной зоны зоной запрещённых значений энергии ∆Е. Обычные электрические поля не могут сообщить электрону валентной зоны энергию ∆Е, достаточную для преодоления запрещённой зоны и перевода его в свободную зону, где он мог бы уже увеличивать свою энергию. Следовательно, в таких твёрдых телах электропроводность не может иметь место при отсутствии внешних возбуждений и нулевой температуре. Однако в реальных условиях температура твёрдых тел отличается от нуля, поэтому эти тела обладают некоторой энергией теплового движения. Есть кристаллы, для которых энергии теплового движения при обычных температурах недостаточна, чтобы электрон мог преодолеть запрещённую зону энергии (кТ<∆Е). Поэтому при наложении электрического поля электропроводность в таких твёрдых телах не может иметь место даже при высоких температурах. Такие твёрдые тела не проводят электрический ток и их называют диэлектриками.

У некоторых кристаллов ширина запрещённой зоны сравнительно мала и энергия теплового движения оказывается достаточной для «заброса» части электронов из валентной зоны в свободную. В таком твёрдом теле электрическое поле вызывает ток, т.е. электроны, попавшие в свободную зону, и электроны в валентной зоне получать возможность переходить на более высокие незанятые уровни энергии. Такие твёрдые тела называются полупроводниками.

Для полупроводников в отличие от металлов число носителей тока, которые могут участвовать в электропроводности, существенно зависит от температуры. При высоких температурах электропроводность полупроводников приближается к электропроводности металлов, так как при больших значениях энергии теплового движения число выброшенных в свободную зону электронов очень велико и они вместе с электронами валентной зоны все могут принять участие в электропроводности. Но, с другой стороны, все полупроводники при Т=0 К становятся диэлектриками. Отсюда следует, что полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Этим и объясняется их название.

Однако следует заметить, что и диэлектрики при очень высоких температурах начинают проводить ток. Поэтому деление твёрдых тел на полупроводники и диэлектрики в достаточной мере условно, но практика даёт возможность, хотя и условно, разграничить их по ширине запрещенной зоны. Если у твёрдого тела ∆Е>6эв, то оно - диэлектрик, а если ∆Е<6эв - полупроводник. Наиболее широкий класс полупроводников, как показывают теория и опыт, имеет ширину запрещённой зоны ∆Е<2эв.

Полупроводники могут стать электропроводными также под действием падающего на них электромагнитного излучения, так как электромагнитное излучение тоже обладает энергией, достаточной для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости.