Енергетичні зони та рівні - Студопедія
У ізольованих атомах електрони займають певні енергетичні рівні, тобто. ізольований атом характеризується дискретним енергетичним спектром. Частина дозволених енергетичних рівнів в атомі заповнена, а інша частина заповнюється при зовнішніх енергетичних впливах, що призводять до атома в збуджений стан. Такий розподіл електронів лише на рівні атома зберігається, якщо у системі з N однакових атомів відсутня взаємодія з-поміж них (наприклад, розряджений газ).
При конденсації такої розрядженої системи в рідину з подальшою кристалізацією, в твердому тілі, що утворилося, відбувається обмінна взаємодія між атомами. Останнє виражається у перекритті електронних оболонок атомів, яке у свою чергу істотно змінює характер руху електронів, оскільки завдяки такому перекриттю оболонок електрони можуть без зміни енергії за допомогою обміну переходити від атома до атома.
В результаті обмінної взаємодії дискретні енергетичні рівні ізольованого атома розщеплюються, утворюючи енергетичні зони, як це схематично показано для напівпровідників та діелектриків на рис.2.1.
а )б )
Мал. 2.1 Схема переходу енергетичних рівнів:а - ізольованого атома;б - тверде тіло (напівпровідник, діелектрик)
Ширина дозволених енергетичних зон не залежить від розмірів кристала, а визначається природою атомів, що утворюють тверде тіло та симетрією кристалічних ґрат.
Для системи, що міститьN- атомів, кожен з яких має в ґратах Z найближчих сусідів, енергія обмінної взаємодії може бути визначена як
деА– обмінний інтеграл для сусідніх атомів;f(s)-імовірністьтого, що електрони матимуть паралельну орієнтацію спинів. Наприклад, якщо енергія обмінної взаємодії між двома атомами дорівнюєWА, тоді для кристалів з простими кубічними гратами , де кожен атом має шість найближчих сусідів, розщеплення рівнів у зони становитиме12WА, відповідно для ГЦК і ОЦК грат 24WАта 16WА. Оскільки обмінна енергіяWАзалежить від ступеня перекриття електронних оболонок, рівні енергії внутрішніх оболонок, які локалізовані поблизу ядра, розщеплюються менше, ніж рівні валентних електронів.
Рис.2.2 Схема утворення зон при взаємодії атомів
вуглецю(ао та хо- роважливі відстані між атомами, відповідно в алмазі та графіті)
У зонах дозволених енергетичних станів дискретні рівні розташовуються один від одного енергії в середньому на 10 -22 - 10 -23 еВ. Останнє дає можливість вважати зону квазінеперервною, оскільки для переходу електрона з рівня на рівень потрібен мізерний енергетичний вплив, тобто. електрон може квазі вільно перемішатися по зоні. Як приклад наведемо схему утворення енергетичних зон при зближенні атомів вуглецю (див. рис.2.2).
Подібно до енергетичних рівнів в ізольованих атомах, енергетичні зони можуть бути повністю заповненими, або частково заповненими або вільними. Найвища із заповнених електронами зон називаєтьсявалентною зоною (ВЗ ). Ця зона формується із розщеплених енергетичних рівнів, що відповідають зовнішній електронній оболонці в ізольованих атомах. Найближчу до неї вільну незаповнену зону називаютьзоною провідності (ЗП ). Взаємне розташування цих зон визначає специфіку більшості процесів та явищ, що протікають у твердихтілах. У металах та металевих сплавах валентна зона перекривається із зоною провідності. У напівпровідниках та діелектриках валентна зона та зона провідності розділені енергетичною зоною (заборонена зона - ЗЗ ), в межах якої відсутні дозволені електронні стани. Схематично зони діаграми для різних матеріалів представлені нижче на рис. 2.3.
Мал. 2.3 Схематичне уявлення будови енергетичних зон у різних матеріалах.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком:
Вимкніть adBlock! і оновіть сторінку (F5)дуже потрібно