Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер

Рис. 19.5. Схематическое изображение зонной структуры диэлектрика. Имеется заполненная зона с двумя электронами на каждой МО. Есть свободная зона с гораздо большими значениями энергии

В диэлектриках широкая запрещённая зона

Существуют свободные атомные орбитали со значительно более высокой энергией, и они тоже образуют МО. Однако нет электронов, которые могли бы занять эти МО. Поэтому следующая по высоте энергетическая зона совершенно пуста. Разность энергии между верхним краем заполненной зоны и нижним краем незаполненной зоны называется запрещённой зоной. Уровень Ферми находится у верхнего края заполненной зоны.

Выше уже обсуждалось на качественном уровне (а в квантовой теории это аккуратно обосновывается), что для электропроводности требуется наличие электронов на МО с энергией выше уровня Ферми. Когда в веществе создаётся электрическое поле (путём подключения к батарее или другому источнику напряжения), природа делокализованных состояний меняется. В металлах, поскольку зона лишь наполовину заполнена, а энергетические уровни разделены ничтожными интервалами, приложенное напряжение приводит к тому, что некоторые электроны оказываются выше уровня Ферми, соответствующего нулевому полю, и электроны начинают течь по металлу. В изоляторе следующий уровень над уровнем Ферми находится в пустой зоне. Запрещённая зона велика, и приложение электрического поля не может изменить систему в достаточной степени, чтобы в пустой зоне появились электроны. Поэтому приложить электрическое поле к изолятору, в отличие от металла, недостаточно для того, чтобы возникла проводимость.

Другая возможность состоит в том, что тепловая энергия возбуждает электроны заполненной зоны, забрасывая их в пустую зону. Изоляторы обладают тем свойством, что энергетическая ширина запрещённой зоны намного больше тепловой энергии. С повышением температуры количество тепловой энергии возрастает. Однако в изоляторах запрещённая зона настолько велика, что материал будет разрушен при температуре, которая всё ещё недостаточно высока, чтобы термически возбудить электроны, подняв их из заполненной зоны в пустую. Таким образом, невозможно ни изменение состояния электронов за счёт приложенного электрического поля, ни тепловое возбуждение электронов, и поэтому диэлектрики не проводят электричество.

Полупроводники

В полупроводниках запрещённая зона небольшая

Полупроводники похожи на диэлектрики, но в отличие от них имеют небольшую запрещённую зону. Зонная структура полупроводника схематически изображена на рис. 19.6. В полупроводнике, таком как кремний (Si), имеется достаточное число электронов, чтобы целиком заполнить валентную зону. При 0 K, когда нет тепловой энергии для возбуждения электронов, все они спарены и находятся в валентной зоне. Уровень Ферми соответствует верхнему краю заполненной валентной зоны. Таким образом, при 0 K кремний является диэлектриком. Однако в кремнии и других полупроводниках ширина запрещённой зоны невелика. При комнатной температуре тепловой энергии уже достаточно, чтобы возбудить некоторые электроны и поднять их в следующую зону над уровнем Ферми. Тепловая энергия заключена в движении атомов полупроводника.

На рис. 19.6 проиллюстрировано возбуждение электронов с переходом в следующую зону, находящуюся выше уровня Ферми. Электроны, которые возбуждаются, переходя с заполненных МО валентной зоны на свободные МО зоны проводимости, изображены на этом рисунке стрелками, находящимися выше уровня Ферми. Благодаря электронам, находящимся выше уровня Ферми, полупроводники, такие как кремний, могут проводить электричество. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, называются электронами проводимости.

Полупроводники проводят электричество не так хорошо, как металлы, поскольку в них намного меньше электронов проводимости. В металлах нет запрещённой зоны. Большое число электронов легко поднимается над уровнем Ферми. В полупроводниках запрещённая зона есть, но она достаточно мала, чтобы тепловая энергия могла возбудить некоторые электроны и поднять их в зону проводимости, лежащую выше уровня Ферми. При понижении температуры в полупроводниках становится всё меньше и меньше электронов проводимости, способных переносить электрический ток.

При очень низкой температуре полупроводники становятся диэлектриками. Единственное различие между полупроводниками и диэлектриками заключается в ширине запрещённой зоны. Чипы в вашем компьютере, которые состоят в основном из кремниевых полупроводников, перестанут работать, если их сильно охладить. Компьютеры и электроника на спутниках должны пребывать в тепле, иначе они выйдут из строя.

Рис. 19.6. Схематическое изображение зонной структуры полупроводников. Валентная зона практически целиком заполнена. Энергетический интервал, отделяющий следующую зону, относительно мал. Некоторые электроны термически возбуждаются и поднимаются выше уровня Ферми в зону проводимости

Тепловая энергия влияет на электропроводность металлов

Тепловая энергия требуется полупроводникам для появления электронов проводимости. Она также сильно влияет на электропроводность металлов, хотя для появления в них электронов проводимости тепловая энергия им не нужна. В куске металлического провода, подсоединённого к батарее, электроны движутся в направлении положительного полюса. По мере того как электроны покидают провод, они восполняются электронами, поступающими из отрицательного полюса батареи. Ток (электронов), проходящий по куску провода, вызывает повышение температуры. Нагревательные элементы в электрических печах и обогревателях становятся очень горячими из-за протекающего по ним сильного тока. Они разогреваются настолько, что начинают светиться красным, — это черноте́льное излучение металла.

Как уже говорилось, электроны легко проходят сквозь кусок металла, поскольку они находятся на делокализованных МО, охватывающих металл целиком. Требуется лишь электрическое поле (подключение к батарее или другому источнику напряжения), чтобы заставить их двигаться в определённом направлении. Вопрос же состоит в том, почему поток электронов вызывает нагревание металла.

Электроны в металле следует представлять себе волновыми пакетами, которые более или менее локализованы. Мы обсуждали волновые пакеты в главе 6 в связи с принципом неопределённости Гейзенберга. Электронные волновые пакеты в металле образуются из суперпозиций делокализованных волновых функций электронных МО аналогично фотонным и электронным волновым пакетам в вакууме, которые являются суперпозициями делокализованных импульсных состояний. Электроны заряжены отрицательно, поэтому электронный волновой пакет несёт отрицательный заряд. Электрон ускоряется в направлении положительного полюса. Это ускорение приводит к увеличению кинетической энергии электрона.

Фононы — вибрации твёрдого тела

В главе 17 в связи с парниковыми свойствами углекислого газа мы коротко обсудили квантование колебаний молекул. Кусок металла, состоящий из атомов, тоже испытывает квантованные колебания. Атомы в кристаллической решётке металла могут подрагивать на своих местах. Несмотря на это дрожание, они остаются в среднем на одном месте. Движение каждого атома связано с движениями других атомов таким же образом, как движение каждого атома в молекуле CO2 связано с движениями остальных (см. рис. 17.2). Молекула CO2 может испытывать несколько различных типов колебаний: в симметричной, асимметричной и двух деформационных модах. Эти три разных типа мод обладают колебательными энергиями (частотами), которые очень сильно отличаются друг от друга.

В кристаллической решётке металла каждый атом может двигаться во всех трёх измерениях. Для N атомов существует 3N колебаний решётки, где вновь N — число атомов в куске металла. Для любого конечного куска металла имеется огромное число колебаний, складывающееся в колебательную полосу вместо нескольких дискретных частот. При низкой температуре тепловые колебания охватывают только нижнюю часть значений энергии этой полосы. При высокой температуре возбуждается больше колебаний решётки с более высокими значениями энергии колебаний. Возбуждённые колебания обладают кинетической энергией. Именно эта энергия возбуждённых колебаний воспринимается нами как тепло.

Квантованные колебания решётки называются фононами. Такое название связано с тем, что фононы в некоторых фундаментальных аспектах квантовой теории напоминают фотоны. Каждый фонон является делокализованной волной колебаний, которая распространяется на всю кристаллическую решётку. Волны решётки могут образовывать более или менее локализованные волновые пакеты за счёт суперпозиции большого набора длин волн. Более или менее локализованный фононный волновой пакет совершенно аналогичен фотонному или электронному волновому пакету, которые упоминались чуть выше, а подробно обсуждались в главе 6. Фононы — это движущиеся волновые пакеты механической и тепловой энергии. Фононный волновой пакет можно рассматривать как движущуюся область более или менее локализованного дрожания атомов.