Зоны энергетических уровней электронов в кристалле

При объединении атомов в кристалл орбитали электронов внешних электронных оболочек (валентных электронов) перекрываются и образуют электронное облако, охватывающее (пронизывающее, омывающее) всю кристаллическую решетку. Каждый валентный электрон принадлежит уже не отдельному атому, а всему кристаллу в целом. Поэтому кристалл и его валентные электроны образуют единую квантовую систему. Электронные энергетические уровни (в том числе и незаполненные) при этом расщепляются, каждый на подуровней, где – общее число атомов в кристалле, образуя зону разрешенных значений энергии электронов или разрешенную зону. Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии электронов или запрещенными зонами. В соответствии с принципом Паули на каждом из этих подуровней может находиться не более двух электронов.

Деформация орбиталей и расщепление энергетических уровней происходит под действием электрических и магнитных полей соседних атомов. Действие этих полей усиливается при сближении атомов. На электроны внутренних электронных оболочек соседние атомы оказывают значительно меньшее воздействие, поэтому уширение энергетических уровней этих электронов ничтожно. На рис. 35.6 показано образование разрешенных зон, а затем и их уширение при сближении атомов в процессе формирования кристаллической решетки. Здесь – энергия электрона, – расстояние между атомами, – межатомное расстояние в недеформированном кристалле.

Электрические свойства кристаллов определяются строением энергетических зон электронов. На рис. 35.6 верхний энергетический уровень не заполнен и при уширении образует свободную зону. Второй сверху энергетический уровень образует заполненную валентную зону. Ниже расположены практически нерасщепляющиеся заполненные энергетические уровни электронов внутренних оболочек.

Значения энергии электронов сравнительно невелики, а поэтому для их измерения часто пользуются не джоулем, а внесистемной единицей электрон-вольт (эВ). – это энергия, полученная электроном, ускоренным электростатическим полем между точками с разностью потенциалов 1 В.