Разрешенные уровни - энергия
Cтраница 3
Средний магнитный момент системы электронов зависит от того, какие состояния заполнены, а какие нет, и зависит, следовательно, от энергии электронов в этих состояниях. В отличие от изолированных атомов, где стационарные состояния электронов возможны лишь при дискретных значениях энергии, в твердых телах существуют интервалы возможных значений энергий полосы, перекрывающиеся или разделенные запрещенным интервалом - щелью. Энергетический спектр в этом случае определяют не положением разрешенных уровней энергии, а положением полос, их верхними и нижними краями, и зависимостью энергии от квазиимпульса и спина электрона внутри полосы. [31]
В изолированном атоме электроны могут находиться в состояниях только с определенными, разрешенными уровнями энергии относительно ядра атома. Все другие уровни энергии являются невозможными, запрещенными. В невозбужденном атоме электроны заполняют наинизшие ( близкие к ядру) разрешенные уровни энергии, тогда как верхние уровни энергии остаются не занятыми, свободными. Каждый уровень энергии атома может быть заполнен количеством электронов, не превышающим некоторого определенного числа. Так, первый, наинизший уровень энергии может быть заполнен не более чем двумя электронами. [32]
Зонная теория, разработанная для бесконечно протяженных кристаллов, строго говоря, к поверхностному слою неприменима. На границе кристалла периодическая кристаллическая решетка терпит разрыв. Еще в 1932 г. с помощью одномерной модели Кронига и Пенни ( § 2) И. Е. Тамм показал, что на границе кристалла в запрещенной зоне появляются разрешенные уровни энергии, названные впоследствии его именем. [33]
Примесные атомы имеют меньшее число валентных электронов, чем замещаемые ими атомы основного соединения. По отношению к германию таким свойством обладает, например, бор, занимающий место в третьей группе Периодической системы и имеющий в валентной оболочке три электрона. Поскольку для образования насыщенной ковалентной связи в кристалле германия нужно по четыре электрона от каждого атома, примесному атому бора для этого не хватает одного электрона, и один из принадлежащих ему разрешенных уровней энергии оказывается свободным. Этот уровень может быть заполнен, если при тепловых флуктуациях атом бора захватит недостающий электрон у одного из соседних атомов германия. [34]
Электроны атома могут двигаться вокруг ядра только по некоторым избранным орбитам. Каждая из этих орбит соответствует определенной величине энергии электрона. Последняя не может изменяться непрерывно: она принимает квантованные значения. Для любого атома существует определенный набор разрешенных уровней энергии. [35]
 |
Размещение атомов фосфора в узлах кристаллической решетки кремния. [36] |
Свойствами изоляторов обладают, в частности, абсолютно химически чистые германий и кремний. На внешних оболочках атомов этих веществ расположено по четыре электрона. Это меньше максимально допустимого количества, поэтому германий и кремний сравнительно охотно вступают в химические реакции. Однако при образовании кристаллов зоны формируются таким образом, что все разрешенные уровни энергии оказываются занятыми электронами. Химически чистые германий и кремний практически не пропускают электрического тока. [37]
В простейшем - водородном - атоме только один электрон вращается, как планета, вокруг ядра. И кроме этого электрона, там некому быть строителем такой энергетической лестницы. В духе модели Резерфорда лестница разрешенных уровней энергии увиделась Бору как паутина дозволенных природой орбит. [38]
ВАХ реальных диодов с р - re - переходом могут заметно отличаться от рассмотренной ВАХ идеализированного диода. Это касается диапазона как малых напряжений смещения, так и больших. В диапазоне малых напряжений, помимо рассмотренного нами диффузионного механизма протекания тока через р - ге-переход, могут существовать еще туннельный и рекомбинационный механизмы. Туннельный ток возникает при прямом и обратном смещении в тонком р - га-переходе, образованном очень сильно легированными областями п - и р-типа. Такие уровни легирования обычно не используются для создания рабочего р - га-перехода солнечных элементов. Рекомбинационный ток при прямом смещении обусловлен присутствием неконтролируемых примесей, создающих разрешенные уровни энергии в глубине запрещенной зоны. На эти же уровни попадают и дырки из р-области. Эти носители тока исчезают в результате рекомбинации и освобождают глубокие уровни для новых электронов и дырок. [39]
Наблюдается достаточно хорошее соответствие между экспериментальными и вычисленными величинами, в особенности для щелочных металлов. Хотя S представляет малую разность двух относительно больших величин, полученный результат можно считать очень хорошим. В случае щелочноземельных металлов соответствие не настолько хорошо, чтобы полученные результаты можно было использовать подобным же образом. Можно предположить, что менее удовлетворительное совпадение для щелочноземельных металлов является следствием изменения Аг от металла к металлу. Однако кажется более вероятным, что это обстоятельство вызвано отклонением от чисто металлического типа связи при переходе от тяжелых к более легким щелочноземельным металлам. Эти вычисления в подтверждение более ранних и менее точных работ показывают, что свободные электроны распределяются не по непрерывному ряду близко расположенных уровней энергии, а зонами, и что существуют большие интервалы, в которых отсутствуют разрешенные уровни энергии. К концу процесса свободные электроны становятся электронами, связанными на определенных уровнях энергии. [40]
В металле число атомных орбиталей, участвующих в образовании отдельной молекулярной орбитали, чрезвычайно велико, поскольку каждая атомная орбиталь перекрывается сразу с несколькими другими. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже оказывается очень большим. На рис. 22.20 схематически показано, что происходит при увеличении числа атомных орбиталей, перекрыванием которых создаются молекулярные орбитали. Разность энергий между самой высокой и самой низкой по энергии молекулярными орбиталями не превышает величины, характерной для обычной ковалентной связи, но число молекулярных орбиталей с энергиями, попадающими в этот диапазон, оказывается очень большим. Таким образом, взаимодействие всех валентных орбиталей атомов металла с валентными орбиталями соседних атомов приводит к образованию огромного числа чрезвычайно близко расположенных друг к другу по энергии молекулярных орбиталей, делокализованных по всей кристаллической решетке металла. Различия в энергии между отдельными орбиталями атомов металла настолько незначительны, что для всех практических целей можно считать, будто соответствующие уровни энергии образуют непрерывную зону разрешенных энергетических состояний, как показано на рис. 22.20. Валентные электроны металла неполностью заполняют эту зону. Можно упрощенно представить себе энергетическую зону металла как сосуд, частично наполненный электронами. Такое неполное заселение разрешенных уровней энергии электронами как раз и обусловливает характерные свойства металлов. Электронам, заселяющим орбитали самых верхних заполненных уровней, требуется очень небольшая избыточная энергия, чтобы возбудиться и перейти на орбитали более высоких незанятых уровней. При наличии любого источника возбуждения, как, например, внешнее электрическое поле или приток тепловой энергии, электроны возбуждаются и переходят на прежде незанятые энергетические уровни и таким образом могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке, что и обусловливает высокие электропроводность и теплопроводность металла. [42]
 |
Энергетические зоны твердого тела. [43] |
При достаточно большом расстоянии г между атомами они почти не влияют друг на друга. При сближении атомов до расстояния г - г2 происходит расщепление энергетического уровня W2 на шесть дискретных значений. Дальнейшее уменьшение расстояния до величины г - г1 сопровождается расщеплением энергетического уровня Wi-При некотором значении г г0 в системе образуются две совокупности дискретных энергетических состояний, лежащих в интервале между А № и AIF2 и называемых энергетическими зонами. Энергетические зоны AWj и AW2 при г - г0 разделены промежутком А 3, не содержащим энергетических состояний. Такой энергетический промежуток принято называть запрещенной зоной. Запрещенные зоны соответствуют таким значениям энергии, которыми электрон не может обладать. Уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий, образуют в твердом теле заполненные зоны. Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует так называемую нормальную, или валентную, зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются не занятыми при температуре абсолютного нуля, составляют в твердом теле свободную зону. Ее нижнюю часть называют зоной проводимости, поскольку уровни, входящие в нее, могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию при нагреве или другим путем. [44]
Страницы: 1 2 3