Большой энциклопедический политехнический словарь - зонная теория

один из осн. разделов квантовой теории твёрдых тел, представляющий собой приближённую теорию движения электронов в периодич. поле кристаллической решётки. Согласно 3. т. из-за сближения атомов в кристалле на расстояния порядка размеров самих атомов их электроны рассматриваются как принадлежащие кристаллу в целом, а не к.-л. атому. В связи с этим дискретные уровни энергии атомов расширяются в полосы (энергетические зоны), состоящие из большого, но конечного числа N очень близко располож. подуровней, где N - число атомов в кристалле. В соответствии с Паули, принципом в каждой энергетич. зоне может поместиться не более 2N электронов. Зоны разреш. энергий могут быть отделены зонами запрещенных, но могут и перекрываться. При Т -> О К все электроны занимают наиболее низкие зоны. верх. полностью заполненная зона наз. валентной зоной, располож. над ней пустая или заполненная частично - зоной проводимости. Интервалы запрещ. значений энергии между зонами (запрещённые зон ы) зависят от природы кристалла и лежат в пределах от десятых долей эВ до неск. эВ. Реальные напряжённости внеш. электрич. поля, прикладываемого к кристаллам, таковы, что электроны под действием поля не могут приобрести энергию, достаточную для перехода из одной зоны в другую. Электроны, полностью заполняющие все энергетич. состояния в зоне, не могут под влиянием электрич. поля изменять свою энергию и приобретать упорядоч. движение, т. е. не могут участвовать в проводимости кристалла. Наоборот, в частично заполненной зоне электроны ускоряются электрич. полем (переводятся на соседние вакантные уровни в зоне) и приходят в упорядоч. движение, образуя электрич. ток. Электрич. свойства кристаллов определяются заполнением зоны проводимости электронами; если она пустая, то кристалл - диэлектрик или ПП, если же она частично заполнена, твёрдое тело является металлом (рис. 1). Различие между диэлектриками и ПП условно и связано с шириной Дельта W0 запрещ. зоны (энергетич. "щели") между "потолком" валентной зоны и "дном" зоны проводимости. Величину Дельта W0 наз. энергией активации собственной проводимости, т. к. для появления проводимости у такого кристалла необходимо, чтобы часть электронов была переведена из валентной зоны в зону проводимости, напр. за счёт теплового возбуждения или фотоэффекта (см. Фотоэффект внутренний). Условно считают, что при Дельта W0 > 3 эВ кристалл является диэлектриком, а при Дельта W0 < 3 эВ - ПП. По мере увеличения температуры ПП концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне быстро возрастает, и соответственно быстро возрастает проводимость ПП [пропорционально ехр( - Дельта W0 /2kT, где k - Болъцмана постоянная, Т - термодинамическая температура]. Т. о., собств. проводимость ПП осуществляется как электронами в зоне проводимости, так и дырками в валентной зоне. Дефекты в кристаллах, особенно примесные атомы, вызывают появление локальных дополнит. уровней, к-рые могут располагаться в запрещ. зоне энергий между зоной проводимости и валентной зоной (рис.