Зона проводимости

09.03.2021

Зона проводимости — в зонной теории твёрдого тела первая зона, расположенная непосредственно над уровнем Ферми, энергетически разрешённая для электронов зона (диапазон энергии, которую могут иметь электроны) в полуметаллах, полупроводниках и диэлектриках.

При уменьшении размеров системы (числа частиц в системе) уровень энергии низа зоны проводимости, как правило, увеличивается относительно уровня Ферми.

Аналогом энергии нижней границы зоны проводимости в молекулярных системах (кластерах) является энергия нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО), англ. lowest unoccupied molecular orbital (LUMO).

Электропроводность в твёрдых телах

Металлы

В металлах валентная зона перекрывается с зоной проводимости, формально в металлах запрещённая зона имеет отрицательную ширину, поэтому в них даже при абсолютном нуле температуры имеются электроны в зоне проводимости, что обусловливает их электропроводность и при абсолютном нуле температуры (0 К).

Полуметаллы

В полуметаллах валентная зона и зона проводимости частично перекрываются, но плотность состояний в диапазоне перекрытия этих зон невелика, поэтому электропроводность при 0 К конечна, но ниже, чем у металлов. Другое сходство полуметалла и полупроводника — увеличение удельной электропроводности при увеличении температуры, в отличие от чистых металлов и практически всех сплавов у которых удельное электросопротивление увеличивается при увеличении температуры.

Полупроводники и диэлектрики

В полупроводниках и диэлектриках валентная зона и зона проводимости разделены запрещённой зоной, при нулевой температуре состояния в валентной зоне полностью заняты электронами, а в зоне проводимости электроны отсутствуют, поэтому при 0 К эти вещества не проводят электрический ток, так как для движения электронов под действием электрического поля необходимо изменение состояния электронов, а все состояния в валентной зоне заняты и электроны не могут изменить своё квантовомеханическое состояние.

При температуре отличной от 0 К часть электронов из валентной зоны из-за теплового движения переходит в зону проводимости, при этом в валентной зоне образуются свободные уровни энергии, покинутые электронами, а в зоне проводимости появляются электроны, поэтому при ненулевых температурах диэлектрики и полупроводники приобретают электропроводность.

С точки зрения зонной теории между диэлектриками и полупроводниками нет принципиального различия и они различаются только по ширине запрещённой зоны, у диэлектриков ширина запрещённой зоны несколько электронвольт, поэтому при не слишком высокой температуре, например, комнатной, в зону проводимости у диэлектриков переходит ничтожная часть электронов и поэтому они имеют очень малую электропроводность в отличие от полупроводников, имеющих заметную электропроводность при этих же температурах.