Современной физикой доказано, что электроны в теле
не могут обладать произвольными энергиями. Энергия каждого электрона
может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями
энергии (или энергетическими уровнями).
Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями,
т. е. находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить
электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение между электроном
и ядром. Для этого надо затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные
от ядра электроны обладают большими энергиями; они находятся на
более высоких энергетических уровнях.
Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня
на более низкий, выделяется определенное количество энергии, называемое
квантом (или фотоном). Если атом поглощает один квант энергии, то
электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более
высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами,
т. е. определенными порциями.
Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически:
по вертикали откладывают энергию Wэлектрона, а горизонтальными линиями
показывают уровни энергии.
В соответствии с так называемой зоной теорией твердого тела энергетические
уровни объединяются в отдельные зоны. Электроны внешней оболочки
атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную
зону. Более низкие энергетические уровни входят в состав других
зон, заполненных электронами, но эти зоны не играют роли в явлениях
электропроводности и поэтому они не изображаются на рисунке. В металлах
и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся
на I более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют
зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости,
совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних
атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую
электропроводность металлов.
Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать
как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке,
образуя пространственную решетку, называемую иначе ионной, или кристаллической.
Состояние этой решетки соответствует равновесию сил взаимодействия
между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц
тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение
электронов проводимости.
Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них
между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная
зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут
быть.
При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется
только очень небольшое количество электронов и поэтому диэлектрик
обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые
электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят
в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную электропроводность.
Полупроводники при низких температурах являются диэлектриками, а
при нормальной температуре значительное количество электронов переходит
из валентной зоны в зону проводимости.
В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее
широко используют германий и кремний, имеющие валентность, равную
4. Пространственная кристаллическая решетка германия или кремния
состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами.
Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.
|