, складаються з позитивно зарядженого ядра і електронів, що рухаються навколо нього по певних орбітах, утворюючим систему оболонок (ці оболонки позначаються літерами K, L, N та ін.). Енергетичний стан електрона в атомі, тобто його потенційна і кінетична енергія, визначається номером орбіти, по якій він рухається.
Зі сказаного вище випливає, що енергетичний спектр станів електронів в атомі може бути зображений у вигляді окремих ліній (рівнів), відповідних дискретним значенням енергії. Перехід електронів з одного енергетичного рівня на інший можливий тільки в тому випадку, якщо вони отримують ззовні додаткову енергію, наприклад, під дією температурного нагріву, світла або сильного електричного поля. Причому перехід електрона з рівня на рівень слід розуміти не як переміщення його в просторі, а як втрату або придбання ним енергії в порівнянні з первісним її значенням.
Електричні, фотоелектричні і оптичні властивості матеріалів визначаються числом тільки зовнішніх, найменш пов'язаних з ядром валентних електронів, поведінка яких в періодичному полі кристалічної решітки описується зонної теорією. Відповідно до цієї теорією при утворенні кристалічної решітки, тобто при зближенні атомів, їх енергетичні рівні внаслідок взаємодії розщеплюються, утворюючи окремі зони.
Енергетичний спектр валентних електронів в кристалічній решітці твердого тіла зображений на рис. 2.
З малюнка видно, що спектр валентних електронів утворює дві зони - основну зону 1 і зону порушених рівнів 2. Ступінь заповнення електронами цих зон визначається природою атомів, що утворюють кристалічну решітку. В принципі можуть мати місце три випадки: а) всі стани утворилася зони заповнені електронами, б) зона частково заповнена електронами, в) зона повністю вільна від електронів. При абсолютному нулі температури (Т=0 ° К) зона 1 частково або повністю зайнята електронами. Її прийнято називати валентної або заповненої зоною. Зона 2 при Т=0 ° К повністю вільна, а тому її називають вільною зоною або зоною провідності.
Рис. 2. Енергетичний спектр валентних електронів в різних матеріалах (а - метал, б - напівпровідник, в - ізолятор)
фотоелектричний фоторезистор оптичний електрон
У різних твердих речовин ці дві зони відносно один одного можуть займати різне становище. У металів (див. Рис. 2, а) ці зони або безпосередньо примикають один до одного, або навіть перекривають один одного. За величиною енергії енергетичні рівні в зоні провідності відрізняються дуже незначно (порядку 10-23 ев). Тому можна вважати, що в межах зони 2 енергетичний спектр практично безперервний. Оскільки середня теплова енергія атома при кімнатній температурі становить приблизно 4? 10-2 ев, тобто у багато разів більше, ніж енергетичний бар'єр між сусідніми рівнями зони 2, то в межах останньої електрони металів можуть вільно переходити з одного рівня на інший.
Під впливом прикладеного до металу електричного поля електрони почнуть спрямований рух (у бік позитивного потенціалу), тобто в замкнутому ланцюзі потече електричний струм.
У напівпровідниках і ізоляторах енергетичний спектр дозволених рівнів, що у валентній зоні 1 і в зоні провідності 2, розділений зоною заборонених енергетичних рівнів, ширина яких дорівнює? Е ев (див. рис. 2, б, в). Додаток електричного поля до матеріалу, що має таку структуру, не викликає появи електричного струму, незважаючи на те, що концентрація електронів у валентній зоні може бути такою ж, як у металів. Це пояснюється тим, що всі енергетичні стани валентної зони вже зайняті, а тому що знаходиться в електричному полі електрон не може підвищити своє енергетичне стан, тобто перейти на більш високий енергетичний рівень.
Для появи електропровідності в такому матеріалі необхідно, щоб частина електронів валентної зони якимось чином підвищила свою енергію на величину, рівну або більше ширини забороненої зони? Е, і потрапила в зону провідності, де вони можуть вільно переміщатися в електричному полі. При температурі вище абсолютного нуля ймовірність таких переходів існує за рахунок теплового руху електронів. Величина електропровідності матеріалів (?) При цьому буде визначатися співвідношенням між середньою тепловою енергією електронів і шириною забороненої зони
?=Ае [ом · см], (3)
де А - коефіцієнт, що залежить від матеріалу напівпровідника; ? Е - ширина забороненої зони, ев; k - постійна Больцмана (k=1,38 · 10 вт · сек/град); Т - абсолютна температура, ° К.
За величиною електропровідності при кімнатній температурі кристалічні речовини умовно ділять на напівпровідники і ізолятори. До числа напівпровідників відносять кристали з шириною забороненої зони до 2 - 2,5 ев. Зазначена кордон є, звичайно, чисто умовною. Величина питомої електропровідності напівпровідників лежить в межах від 10 до 10 січня/ом · см. До ізоляторам відносять матеріали з шириною забороненої зони більше 2,5 ев. Їх електропровідніс...
