Прозрачность твердых тел с использованием ширины запрещенной зоны и связи с зоной проводимости и валентной зоной

Далее следует руководство для начинающих по структуре группы. Я позволил себе значительные вольности с деталями, чтобы упростить это, так что не воспринимайте это слишком буквально!

Это может показаться странным для начала, но подумайте о том, чтобы заполнить атомные орбитали в атоме электронами. Если вы возьмете благородный газ, например, ксенон, вы обнаружите, что каждая орбиталь полностью заполнена двумя электронами, и именно поэтому ксенон инертен. Если вместо этого вы возьмете калий, вы обнаружите, что все нижние орбитали заполнены двумя электронами, но крайняя орбиталь содержит только один электрон, поэтому орбиталь заполнена только наполовину. Вот почему калий очень реактивен.

Когда вы собираете атомы вместе в твердое тело, взаимодействия между атомами расширяют острые атомные орбитали в энергетические зоны. Предположим, что наше тело содержит$n$атомов ксенона, то каждая полоса может содержать 2$n$электроны. Но каждый атом ксенона вносит 2 электрона в каждую зону, поэтому все энергетические зоны в твердом ксеноне заполнены. Вот почему твердый ксенон является изолятором. В случае калия все нижние энергетические полосы заполнены 2$n$электроны, но верхняя полоса содержит только$n$электронов, т.е. она заполнена только наполовину, потому что у каждого атома калия остается только 1 электрон, который можно поместить в эту полосу. Вот почему твердый калий является проводником.

Положение электрона в энергетической зоне определяет не только его энергию, но и его импульс. Если вы хотите заставить электрон двигаться так, чтобы он мог проводить электричество, вам нужно изменить его импульс и, следовательно, вам нужно изменить его положение в энергетической зоне. Но когда полосы заполнены, вы не можете изменить энергию/импульс электрона, потому что в полосе нет свободного пространства, в которое мог бы двигаться электрон. Вот почему заполненные полосы являются изолирующими, а частично заполненные - проводящими.

Теперь, если вы представите, что взяли свое твердое тело и заполнили энергетические зоны электронами, то у вас будет самая высокая занятая зона и самая низкая незанятая зона. Теперь номенклатура может быть немного запутанной. Если самая высокая заполненная зона заполнена (как твердый ксенон), мы склонны называть ее валентной зоной , а самую низкую незанятую зону — зоной проводимости . Разность энергий между полосами и есть ширина запрещенной зоны . Причина, по которой мы называем самую нижнюю незанятую зону зоной проводимости, заключается в том, что любые электроны, попадающие в нее в возбужденном состоянии, будут проводить; электроны в валентной зоне не будут проводить (поскольку валентная зона заполнена).

Но если самая высокая заполненная зона заполнена лишь частично (как твердый калий), мы называем эту зону зоной проводимости, потому что электроны в ней могут проводить. Строго говоря, высшая зона — это и валентная зона , и зона проводимости , но по соглашению мы называем ее зоной проводимости . В металлах нас обычно не волнуют нижняя незанятая зона и ширина запрещенной зоны, потому что они не участвуют в проводимости электричества.

Теперь о прозрачности. Когда фотон взаимодействует с электроном, он передает свой импульс электрону, т.е. изменяет импульс электрона. Но если вы вспомните выше, вы не можете изменить импульс электрона в полной зоне. Единственный способ изменить импульс электрона — ударить по нему достаточно сильно, т. е. с достаточной энергией, чтобы заставить его перепрыгнуть через запрещенную зону в самую нижнюю незанятую энергетическую зону. Поэтому, если вы измерите оптическое поглощение как функцию энергии, вы обнаружите, что поглощение мало, пока энергия фотона не совпадет с шириной запрещенной зоны, и поглощение внезапно возрастет. Для многих материалов ширина запрещенной зоны соответствует ультрафиолетовому излучению, поэтому твердое тело не поглощает видимый свет, т. е. оно прозрачно. Как ты говоришь,

В металлах самая нижняя занятая зона (зона проводимости) заполнена лишь частично, поэтому импульс электрона можно изменить на любую желаемую величину. Вот почему металлы очень сильно поглощают свет (и радиоволны и т. д.) и непрозрачны.

Между прочим, у вас бывают пограничные случаи. Чистый кремний является изолятором, но ширина запрещенной зоны составляет всего около 1,12 эВ, а это меньше длины волны красного света. Таким образом, кремний поглощает свет, несмотря на то, что является изолятором. Ну, это изолятор в темноте. Как только вы освещаете его, электроны, которые вы возбуждаете через запрещенную зону, проводят электричество, поэтому кремний проводит электричество, когда вы освещаете его.

Я надеюсь, что все это поможет. Если вы хотите прояснить что-либо из вышеперечисленного, пожалуйста, прокомментируйте.