Энергетические уровни - валентный электрон
Cтраница 2
Как и в предыдущих изданиях третьего тома, в раздел физики твердого тела включены лишь вопросы, связанные с обоснованием расщец-ления энергетических уровней валентных электронов и возникновения зонного энергетического спектра, а также оптические свойства твердых тел, включая генерацию когерентного света на кристаллах и эффект Мессбауэра. Остальные вопросы раздела программы Физика твердого тела, посвященные изучению различных свойств твердых тел, в том числе и полупроводников, рассмотрены в предыдущих двух томах. [16]
На рис. 58 схематически изображены энергетические спектры трех изолированных атомов лития, пунктирной линией обозначена потенциальная энергия электрона в электрическом поле ядра, сплошными горизонтальными линиями - энергетические уровни валентного электрона и следующий за ним свободный уровень, а стрелкой - ионизационный потенциал. [17]
Объяснение эффекта фотопроводимости возможно также с использованием зонной диаграммы полупроводника. Энергетические уровни валентных электронов в полупроводнике образуют валентную зону ( рис. 164), которая при Т0 К полностью заполнена электронами. Зона проводимости отделена от валентной энергетическим промежутком, который называют запрещенной зоной. Разрыв валентной связи и образование свободных электрона и дырки означает переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если энергия фотона Н ЕЛ, электронно-дырочные пары в полупроводнике не образуются, если же энергия фотона Ау Ед - образуются. [18]
В случае кристаллов такая теория приводит к выводу, что атомные уровни энергии порождают в кристалле полосы ( зоны) из очень близко: расположенных один к другому энергетических уровней, отвечающих стационарным состояниям электронов в поле решетки. В частности, энергетические уровни валентных электронов ( в атоме) порождают в кристалле так называемую валентную зону, которая в металлах заполнена только частично. [19]
Однако взаимодействия между атомами вызывают возмущения свободных атомов, что приводит к появлению специфически новых явлений. Наиболее существенным из них является расщепление энергетических уровней валентных электронов свободных атомов в почти непрерывные энергетические полосы. Это явление во многом обуславливает электрические свойства твердых тел. [20]
 |
Расположение координатных осей в тетраэдри-ческом комплексе. [21] |
Теория кристаллического поля объясняет хорошо известный химикам факт, что ионы элементов вставных декад окрашены, в то время как ионы, имеющие конфигурацию благородных газов, бесцветны. В ионах rf - элементов происходит расщепление энергетических уровней валентных электронов в поле лигандов; наоборот, воздействие всех лигандов на s - или р-орбитали одинаково и в этом случае расщепление уровней отсутствует. Становится также понятным, почему ионы Си бесцветны, тогда как ионы Си2 окрашены: ион Си имеет конфигурацию d10; в нем заполнены все d - орбиталн, поэтому переходы электронов с одной cf - орбитали на другую невозможны, у иона Cu2 ( d9) одна d - орбиталь свободна. [22]
 |
Расположение координатных осев в тетраэдря ческой комплексе. [23] |
Теория кристаллического поля объясняет хорошо известный химикам факт, что ионы элементов вставных декад окрашены, в то время как ионы, имеющие конфигурацию благородных газов, бесцветны. В ионах d - элементов происходит расщепление энергетических уровней валентных электронов в поле лигандов; наоборот, воздействие всех - лигандов на s - или р-орбитали одинаково и в этом случае расщепление уровней отсутствует. Становится также понятным, почему ионы Си бесцветны, тогда как ионы Си2 окрашены: ион Си имеет конфигурацию d10; в нем заполнены все d - орбитали, поэтому переходы электронов с одной d - орбитали на другую невозможны, у иона Cu2 ( d9) одна d - орбиталь свободна. [24]
Наиболее простое объяснение физических свойств полупроводников может быть дано на основе представлений зонной теории твердого тела. При образовании кристалла полупроводника происходит расщепление в зону энергетических уровней валентных электронов и электронных уровней возбужденных состояний. Первая из этих зон ( /) возникает в результате расщепления низших энергетических уровней в атоме. Она заполняется валентными электронами в нормальном квантовом состоянии. В теории полупроводников эта зона называется валентной зоной или заполненной зоной. [25]
Av содержит запас энергии, превышающий тот, который етвечает ее нормальному состоянию. Этот избыток энергии идет в случае атомов на повышение энергетических уровней валентных электронов. В случае молекул наряду с этим может иметь место также и повышение колебательных уровней атомных ядер или вращательных уровней самой молекулы. Этим первичным актом возбуждения атом или молекула подготовляются к последующим тем-новым реакциям. [26]
Волновая механика проводит резкую грань между металлами и другими проводниками электричества. Металлы обладают незаполненной полосой энергетических уровней, в то время как во всех других материалах энергетические уровни валентных электронов отделены от полосы свободных уровней, запрещенной зоной конечной ширины. Поэтому валентные электроны металла свободно проводят ток независимо от теплового движения, в том числе и вблизи абсолютного нуля температур. [27]
Волновая механика проводит резкую грань между металлами и другими проводниками электричества. Металлы обладают незаполненной полосой энергетических уровней, в то время как во всех других материалах энергетические уровни валентных электронов отделены от полосы свободных уровней запрещенной зоной конечной ширины. Поэтому валентные электроны металла свободно проводят ток независимо от теплового движения, в том числе и вблизи абсолютного нуля температур. [28]
В отличие от собственного полупроводника у полупроводника и-типа кривая распределения Ферми - Дирака и уровень Ферми смещаются вверх. Это объясняется тем, что атомы примеси обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника. Пятивалентные примеси имеют энергетические уровни валентных электронов вблизи зоны проводимости собственного полупроводника. Величина AWnWn - WF мала ( около 0 05 эВ), поэтому даже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости. Концентрация электронов в зоне проводимости полупроводника и-типа определяется выражением пп Л пх к, Na, где Na - концентрация доноров. [29]
В отличие от собственного полупроводника у полупроводника л-типа кривая распределения Ферми - Дирака и уровень Ферми смещаются вверх. Это объясняется тем, что атомы примеси обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника. Пятивалентные примеси имеют энергетические уровни валентных электронов вблизи зоны проводимости собственного полупроводника. Величина & WnWn-Wf мала ( около 0 05 эВ), поэтому даже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости. Концентрация электронов в зоне проводимости полупроводника - типа определяется выражением nn Na ntKNu, где N - концентрация доноров. [30]
Страницы: 1 2 3