Электроны, участвующие в связывании, не могут участвовать в проводимости?

В настоящее время я изучаю учебник Physics of Photonics Devices, Second Edition , Shun Lien Chuang. В разделе, посвященном основным понятиям полупроводниковых зон и диаграмм связи , автор говорит следующее:

Атом As имеет атомный номер 33 с [ Ар ] 3 д 10 4 с 2 4 п 3 конфигурация или пять валентных электронов на самой внешней оболочке ( 4 с и 4 п состояния). Для упрощения мы показываем плоскую диаграмму связи [2, 3] на рис. 1.2а, где каждая связь между двумя соседними атомами обозначена двумя точками, представляющими два валентных электрона. Эти валентные электроны вносятся атомами Ga или As. Диаграмма связей показывает, что каждый атом, такой как Ga, связан с четырьмя соседними атомами As четырьмя валентными связями или восемью валентными электронами. Если предположить, что ни одна из связей не разорвана, то все электроны находятся в валентной зоне, а в зоне проводимости нет свободных электронов. Диаграмма энергетических зон в зависимости от положения показана на рис. 1.2б, где Е с - край зоны проводимости, а Е в - край зоны валентной зоны. Когда фотон с оптической энергией час в выше энергии запрещенной зоны Е г падает на полупроводник, оптическое поглощение существенно. Здесь час постоянная Планка и в - частота фотона,

(1.1.1) час в "=" час с λ "=" 1,24 λ (эВ)

где с - скорость света в свободном пространстве, а λ длина волны в микрометрах ( мю м ). Поглощение фотона может разорвать валентную связь и создать электронно-дырочную пару, показанную на рис. 1.2с, где пустое место в связи представлено дыркой. Та же концепция на диаграмме энергетических зон проиллюстрирована на рис. 1.2d, где свободный электрон, распространяющийся в кристалле, представлен точкой в ​​зоне проводимости. Это эквивалентно получению энергии, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, а кинетическая энергия электрона равна этой величине над краем зоны проводимости. Возможен и обратный процесс, если электрон в зоне проводимости рекомбинирует с дыркой в ​​валентной зоне; эта избыточная энергия может проявиться в виде фотона, и этот процесс называется спонтанным излучением. При наличии фотона, распространяющегося в полупроводнике с электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне, фотон может стимулировать нисходящий переход электрона из зоны проводимости в валентную зону и излучать другой фотон с той же длиной волны и поляризацией, что называется процессом вынужденного излучения. Выше края зоны проводимости или ниже края валентной зоны мы должны знать соотношение энергии и импульса для электронов или дырок. Эти соотношения дают важную информацию о количестве доступных состояний в зоне проводимости и в валентной зоне. Измеряя спектр оптического поглощения как функцию оптической длины волны, мы можем определить количество состояний на энергетический интервал. Эта концепция совместной плотности состояний, которая обсуждается далее в следующих главах, играет важную роль в процессах оптического поглощения и усиления в полупроводниках.

введите описание изображения здесь

Благодаря комментариям Джона Кастера в этом вопросе большая часть моей путаницы в этом вопросе прояснилась. Тем не менее, есть еще один аспект объяснения этого учебника, который я хотел бы прояснить.

Если я правильно понимаю, электроны, участвующие в соединении, не могут участвовать в проводимости. Это связано с тем, что связывающие электроны расположены в валентной зоне, тогда как для проводимости требуются свободные электроны, которые расположены в зоне проводимости. Правильно ли я понимаю здесь?

Я был бы очень признателен, если бы люди нашли время, чтобы разъяснить это.

Я думаю, что вы слишком много читаете в названиях «валентная зона» и «зона проводимости». Все занятые или частично занятые полосы способствуют связыванию.
@KFGauss Насколько я понимаю, это правда, но это не обязательно отменяет то, что я сказал, верно? И каждый источник, который я читал, описывает эти явления с точки зрения валентности и зоны проводимости, так что я не думаю, что это необоснованно. Вы хотите сказать, что мое понимание (описанное в посте) неверно, или оно действительно правильное?
При 0К для GaAs (или Si, или Ge, или всех других полупроводников) электроны в зоне проводимости отсутствуют. Вся «связь» происходит в заполненной валентной зоне, поэтому проводимости там нет. Но это не означает, что при температуре выше 0 К электроны в зоне проводимости не приводят к «связи» — это все еще связанные состояния кристалла (точно так же, как зона проводимости в металле обеспечивает «связь»). Я бы назвал отрывок из книги плохо сформулированной аналогией, а не хорошим описанием физики твердого тела.
@JonCuster спасибо за разъяснение.
Примечание: «Для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется большое количество энергии. Только в зоне проводимости электроны могут легко перемещаться и проводить электричество. В изоляторах электронов в зоне проводимости практически нет. Количество энергии электронов, которые могут получить от теплового возбуждения, недостаточно, чтобы поднять их из валентной зоны в зону проводимости. Энергетическая щель слишком велика. Ток не может течь». электрон6.phys.utk.edu/phys250/modules/module%204/…
Также обратите внимание на ответ Неби Чака: researchgate.net/post/…

Ответы (2)

Когда кто-то говорит о твердых телах на языке квантовой механики, нужно понимать, что это модели, разработанные для описания квантово-механического поведения примерно 10 23 атомов/молекул на моль, не говоря уже о количестве электронов. Зонная теория твердых тел была одной из таких успешных моделей.

группы

Посмотрите, как в проводниках насколько близки по энергетическим уровням зона проводимости и валентность. Вот почему в комментариях к вопросу говорится, что нельзя быть абсолютным в отношении отдельных электронов, поскольку все является квантово-механическими вероятностями на атомном уровне.

Теперь изображения, которые вы скопировали, показывают другую модель твердого тела, решетки с положительным зарядом, окруженные орбиталями валентных отрицательных электронов, и орбитали по всей решетке зоны проводимости.

Если вы посмотрите на молекулярные орбитали, то увидите, что отрицательные заряды уходят в космические дыры, где могут доминировать положительные заряды ядра. Таким образом, LEGO как бы создаются облигации.

после этой преамбулы:

Если я правильно понимаю, электроны, участвующие в соединении, не могут участвовать в проводимости. Это связано с тем, что связывающие электроны расположены в валентной зоне, тогда как для проводимости требуются свободные электроны, которые расположены в зоне проводимости. Правильно ли я понимаю здесь?

Было бы правильно для классической модели. Для квантово-механической модели следует перефразировать:

Вероятность того, что электроны, участвующие в связывании, будут находиться в зоне проводимости, мала. Энергетические уровни валентной зоны имеют небольшое перекрытие с энергетическими уровнями зоны проводимости из-за вездесущего принципа неопределенности Гейзенберга, будет вероятность того, что электроны поменяются местами.

Для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется большое количество энергии. Только в зоне проводимости электроны могут легко двигаться и проводить электричество. В изоляторах электронов в зоне проводимости практически нет. Количество энергии, которую электроны могут получить от теплового возбуждения, недостаточно, чтобы поднять их из валентной зоны в зону проводимости. Энергетическая щель слишком велика. Никакой ток не может течь.

http://electron6.phys.utk.edu/phys250/modules/module%204/conduction_in_solids.htm

В полупроводнике подвижность электронов (относящихся к «электронам проводимости» или «свободным электронам») больше, чем подвижность дырок (косвенно относящихся к «валентным электронам») из-за различной зонной структуры и механизмов рассеяния этих двух типов носителей. . Электроны проводимости (свободные электроны) перемещаются в зоне проводимости, а валентные электроны (дырки) перемещаются в валентной зоне. В приложенном электрическом поле валентные электроны не могут двигаться так же свободно, как свободные электроны, потому что их движение ограничено. Подвижность частицы в полупроводнике тем больше, чем меньше ее эффективная масса и больше время между актами рассеяния. Дырки создаются путем подъема электронов из самых внутренних оболочек в более высокие оболочки или оболочки с более высокими энергетическими уровнями.

В собственном кремнии при температуре 300 К :

Электронная подвижность "=" 1500 с м 2 / ( В с )

Подвижность отверстия "=" 475 с м 2 / ( В с )

Ответ Неби Чака: https://www.researchgate.net/post/Why_is_the_mobility_of_holes_ Different_from_that_of_electrons