Валентность и зоны проводимости

В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, наиболее близкими к уровню Ферми , и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В неметаллах валентная зона — это самый высокий диапазон электронов энергий , в котором электроны обычно присутствуют при абсолютной нулевой температуре, а зона проводимости — это самый низкий диапазон вакантных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры полупроводникового материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости — выше него.

Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах бессмысленно, поскольку проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые принимают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.

Запрещенная зона

В полупроводниках и изоляторах две зоны разделены запрещенной зоной , а в проводниках зоны перекрываются. Запрещённая зона — это область энергий в твёрдом теле, где не могут существовать электронные состояния из-за квантования энергии. В рамках концепции зон энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной. ^[1] Электропроводность неметаллов определяется склонностью электронов к возбуждению из валентной зоны в зону проводимости.

Электропроводность

Полупроводниковая зонная структура
см. в разделе «Электропроводность и полупроводник» . Более подробное описание зонной структуры

В твердых телах способность электронов выступать в качестве носителей заряда зависит от наличия вакантных электронных состояний. Это позволяет электронам увеличивать свою энергию (т. е. ускоряться ) при электрического поля приложении . Точно так же дырки (пустые состояния) в почти заполненной валентной зоне также допускают проводимость.

Таким образом, электропроводность твердого тела зависит от его способности переносить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Следовательно, в случае полуметалла с областью перекрытия электропроводность высока. Если имеется малая запрещенная зона (Е _г ), то переток электронов из валентной зоны в зону проводимости возможен только при подаче внешней энергии (тепловой и т. д.); эти группы с малыми E _g называются полупроводниками . Если E _g достаточно велико, то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости в нормальных условиях становится незначительным; эти группы называются изоляторами .

Однако полупроводники обладают некоторой проводимостью. Это происходит из-за теплового возбуждения — некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть запрещенную зону за один раз. Попав в зону проводимости, они могут проводить электричество, как и дырка, которую они оставили в валентной зоне. Дырка — это пустое состояние, которое предоставляет электронам в валентной зоне некоторую степень свободы.

Сдвиги краев зон полупроводниковых наночастиц

Смещение границ зависящей от размера зоны проводимости и/или валентной зоны — явление, изучаемое в области полупроводниковых нанокристаллов . Пределом радиуса появления полупроводникового нанокристалла является эффективный боровский радиус нанокристалла. Края зоны проводимости и/или валентной зоны смещаются на более высокие энергетические уровни ниже этого предела радиуса из-за дискретных оптических переходов, когда полупроводниковый нанокристалл ограничен экситоном. В результате этого смещения края размер зоны проводимости и/или валентной зоны уменьшается. Это зависящее от размера смещение края зоны проводимости и/или валентной зоны может предоставить много полезной информации относительно размера или концентрации полупроводниковых наночастиц или зонных структур. ^[2]

См. также

Электропроводность для получения дополнительной информации о проводимости в твердых телах и другого описания зонной структуры.
Ферми море
ЧЕЛОВЕК/СВЕТ
Полупроводник для полного объяснения зонной структуры материалов.
Долинатроника

Ссылки

Цитаты

^ Кокс, Пенсильвания (1987). Электронное строение и химия твердого тела . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-855204-1 . OCLC 14213060 .
^ Ясеняк, Яцек; Калифано, Марко; Уоткинс, Скотт Э. (22 июня 2011 г.). «Зависящая от размера валентность и энергия края зоны проводимости полупроводниковых нанокристаллов» . АСУ Нано . 5 (7): 5888–5902. дои : 10.1021/nn201681s . ISSN 1936-0851 . ПМИД 21662980 .

Общие ссылки

Киттель, Чарльз (2005). Введение в физику твердого тела . Уайли. ISBN 0-471-41526-Х .
Корник, Стив (11 апреля 1997 г.). «Валентная полоса» . Чембио. Архивировано из оригинала 4 марта 2021 года . Проверено 8 декабря 2021 г.
Нейв, Карл Р. (Род) (1999). «Теория полос твердых тел» . Гиперфизика . Проверено 8 декабря 2021 г.

Внешние ссылки

Калькулятор энергии прямой запрещенной зоны

[1] Кокс, Пенсильвания (1987). Электронное строение и химия твердого тела . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-855204-1 . OCLC 14213060 .

[2] Ясеняк, Яцек; Калифано, Марко; Уоткинс, Скотт Э. (22 июня 2011 г.). «Зависящая от размера валентность и энергия края зоны проводимости полупроводниковых нанокристаллов» . АСУ Нано . 5 (7): 5888–5902. дои : 10.1021/nn201681s . ISSN 1936-0851 . ПМИД 21662980 .

[1]

[2]