Разница между энергетическими запрещенными зонами металла и полупроводника

Электроны — это фермионы, а это означает, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же состоянии. Это утверждение называется принципом исключения Паули .

Каждый атом имеет дискретные энергетические уровни, которые могут быть заняты электронами (на самом деле правильным будет утверждение, что электроны в атоме могут иметь дискретные значения потенциальной энергии). Эти дискретные уровни потенциальной энергии представляют собой орбитали атома .

Представьте себе, что у какого-то атома оторваны все электроны (ядро). Когда первый электрон возвращается к атому, он занимает наименее энергетическое доступное состояние. Когда второй электрон возвращается в атом, он не может находиться в том же состоянии, что и первый. Вроде бы этот электрон должен занимать второй низший энергетический уровень, однако у электронов есть «спин». Два электрона могут занимать один и тот же энергетический уровень в атоме, если они имеют разные спины (поэтому их состояние неодинаково). Это причина, по которой на самой нижней орбитали могут разместиться два электрона - один с «спином вверх», а другой с «спином вниз».

Мы не будем обсуждать, почему вторая орбиталь может быть представлена ​​​​в виде четырех суборбиталей и может вместить всего 8 электронов - это требует квантово-механического анализа, который не имеет прямого отношения к вашему вопросу.

Теперь предположим, что вы сближаете два атома Na. У них одинаковое количество электронов на одинаковых орбиталях. Однако невалентные орбитали заполнены максимальным количеством электронов, которые вмещают все разрешенные электронные состояния в атомах. Это должно привести к существованию в этих атомах пар электронов, имеющих точно такие же состояния, верно? Нет, принцип запрета Паули здесь не нарушается. Что происходит, так это то, что из-за взаимодействия электронов каждая орбиталь расщепляется — соответствующие орбитали в этих атомах немного меняют свою энергию, что приводит к созданию двух орбиталей с немного разными энергиями. Разность энергий новых орбиталей называется ковалентной энергией .

Когда вы добавляете третий атом к двум существующим, орбитали снова разделяются, и ковалентная энергия уменьшается. Процесс продолжается с каждым дополнительным атомом. К тому времени, когда у вас есть макроскопический кластер атомов Na, каждая орбиталь была расщеплена огромное количество раз, и ковалентная энергия стала чрезвычайно малой - энергетические уровни орбиталей стали неотличимы друг от друга (расстояние намного ниже предела измерения любого существующего техника).

В этом случае больше нет причин рассматривать каждый измененный энергетический уровень конкретной орбитали отдельно, и на помощь приходят обозначения «полос». Энергетическая полоса представляет все энергии (изначально) одной и той же орбитали. Электроны могут свободно переходить между энергетическими уровнями в одной и той же зоне.

Полосы формируются для каждой орбитали элемента. Количество полос равно количеству орбиталей в элементарном атоме Na.

Принцип запрета Паули все еще применяется, поэтому количество электронов в одной зоне имеет верхнюю границу. Электроны имеют тенденцию сначала занимать самые низкие энергетические зоны. Когда в зоне больше нет электронных состояний, любой дополнительный электрон будет занимать следующую энергетическую зону.

Энергетический уровень наиболее энергичных электронов в материале (материале, а не в атоме) называется уровнем Ферми (это определение немного упрощено, но в целом верно). Все электронные состояния ниже уровня Ферми будут заняты электронами, а все состояния выше будут пустыми.

Самая высокая энергетическая зона, полностью заполненная электронами, называется валентной зоной . Самая нижняя энергетическая зона, в которой есть незанятые электронные состояния, называется зоной проводимости .

Последняя часть информации, которая нам нужна, чтобы понять разницу между проводниками, полупроводниками и изоляторами, заключается в том, что энергетическая зона, заполненная электронами (валентная зона — одна из них), не может переносить ток (т. е. электроны в этой зоне не может способствовать текущему потоку). Объяснение этому снова немного сложное, поэтому просто примите этот факт как должное (и вы можете найти дополнительную информацию в Интернете). Полностью пустая зона тоже не может дать вклад в ток, потому что в ней вообще нет электронов, которые могут набирать энергию.

дирижеры

Проводники характеризуются перекрывающимися валентной зоной и зоной проводимости (иначе говоря: уровень Ферми лежит внутри зоны проводимости проводников, и эта зона частично заполнена электронами). Валентные электроны могут свободно переходить в более высокие энергетические состояния в зоне проводимости, поэтому приложенное напряжение вызовет их дрейф - электрический ток.

Изоляторы

Изоляторы характеризуются уровнем Ферми, лежащим между валентной зоной и зоной проводимости. Таким образом, валентная зона заполнена, и ее электроны не могут вносить вклад в ток. Следовательно, зона проводимости пуста, и электроны, которые вообще могут давать вклад в ток, отсутствуют.

Означает ли это, что изоляторы вообще не могут проводить ток? Ну нет. Это означает, что если вы хотите увидеть ток в изоляторе, вы должны передать огромную энергию электронам, чтобы перевести их из валентной зоны в зону проводимости (энергетическое разделение между этими зонами называется запрещенной зоной ) .

Полупроводники

Полупроводники имеют ту же зонную структуру, что и изоляторы, с уровнем Ферми, лежащим внутри запрещенной зоны. Единственное отличие состоит в том, что ширина запрещенной зоны полупроводников относительно мала, что позволяет осуществлять низкоэнергетические переходы электронов из валентной зоны в зоны проводимости. Энергия для этого перехода может быть получена из электростатической энергии, оптической энергии, тепловой энергии и т. д.

Да, полупроводники просто плохие изоляторы :)

Надеюсь, это проясняет концепцию энергетических диапазонов.