Проводници, изолатори и полупроводници

Ключът към разбирането на електричните свойства на материалите е да разгледаме енергийната диаграма, енергийната зонна структура на твърдите вещества и да се фокусираме върху най-високоенергийната зона, която съдържа електрони. Помисли, всеки материал, който вземеш, всяко твърдо вещество, което вземеш, трябва да има най-високоенергийна зона с електрони. Понеже има краен брой електрони. Избираш тази най-високоенергийна зона. Може да е всичко – не знам, в зависимост от материала, който изберем, зоната може или да е изцяло запълнена с електрони, или, може би, да е частично запълнена с електрони. Всичко е възможно. Ще защриховам това, за да покажа запълването с електрони тук. Нека приемем, че тук има частично запълване с електрони. Това дори е един от тях. Тъй като електроните по принцип могат да се възбуждат при по-високи температури, но точно сега това не ни интересува, нека разгледаме възможно най-нискоенергийното състояние. Това е при най-ниската възможна температура, при нула келвина. Нека приемем, че това е при нула келвина. Нула келвина. 0 К. Добре. Ако вземеш материали като натрий или магнезий, или мед, или желязо – забележи, че всички те са проводници. Ако вземеш такива материали, които са проводници, се оказва, че ако разгледаш следващата налична енергийна зона, ще видиш, че следващата по-високоенергийна зона се припокрива с тази енергийна зона. Както видяхме преди, енергийните зони могат да се припокриват и във веществата, които са добри проводници или металите, те остават припокрити. И, строго казано, това не са две различни енергийни зони, понеже след като се припокрият, те стават една единична гигантска енергийна зона, затова ще се отърва от тези разделяния тук, просто ще намаля яркостта им. Ето. Сега имам една гигантска енергийно зона, която не е изцяло запълнена с електрони, има много свободни пространства при нула келвина. Помисли какво ще се случи, ако леко увеличим температурата. Ако увеличим леко температурата, термалната енергия ще допринесе за възбуждането на електроните тук малко по-нависоко. Въпросът е дали позволените енергии са малко по-високи. Отговорът е да, има позволени енергии. Има толкова много позволени енергии, че цялото нещо е континуум. Помни, те не е нужно да прескачат тук, позволено е, така че, като резултат, всички тези електрони стават свободни електрони, понеже могат свободно да се движат тук. Можеш да си представиш това като голяма класна стая, частично заета с ученици и има място децата да се движат наоколо. Това е ситуацията при проводниците. Тук си имаме работа с проводници. От друга страна, ако погледнеш някакъв материал и провериш енергийните му зони, ще видиш, че най-високоенергийната зона – отново, това е най-високоенергийната лента и тя ще е изцяло запълнена при нула келвина. Ще е изцяло запълнена при нула келвина. Отново, помни, това е 0 К, нула келвина. Сега, ако погледнеш следващата налична енергийна зона, ще видиш, че тя не само не се припокрива, но има голямо празно пространство между тях. Има огромна енергийна пролука между тях и тази енергийна пролука е позната като забранена зона. Нарича се забранена енергийна зона, понеже на електроните им е забранено да са някъде тук. Обикновено наричаме това Eg. И ако тази забранена зона Eg – ако тя е приблизително повече от четири електронволта – сега не е, отново, това не е нещо много строго, понякога може да напишеш пет или четири електронволта, но е по-скоро повече от четири електрон волта – тогава ще наречем такъв материал изолатор. Наричаме тези материали изолатори. Това ще е пример за, да кажем, стъкло или диамант – те са отлични изолатори. Можеш ли да се досетиш защо те са изолатори? Понеже сега, ако увеличиш малко температурата и електроните опитат да се възбудят, сега електроните не могат да се възбудят толкова лесно, понеже ако опиташ да възбудиш електрона от тук до тук, той не може да дойде тук, понеже, спомни си, тези енергийни нива са забранени. Ако искаш да възбудиш тези електрони ще трябва да ги възбудиш чак до тук и вероятността един електрон да бъде възбуден чак до тук е изключително ниска дори при стайна температура. В такива материали, дори при стайни температури, ще откриеш изключително малко количество електрони в тази празна зона и само малко или пренебрежимо малко свободни електрони се срещат и това е причината изолаторите да се държат като изолатори. Ако разгледаш силиция или германия и се фокусираш върху най-високоенергийни им зони, е установено, че при нула келвина това е изцяло запълнено, това цялото нещо е изцяло запълнено, точно както при изолатор. Добре. Но сега, ако погледнеш следващата налична енергийна зона, откриваш, че ситуацията е много подобна на тази при изолатора, но можеш да видиш разликата – тази същата забранена зона, тази забранена енергийна зона, е изключително малка. Обикновено, доколкото си спомням, за силиция е около 1,1 електронволта, за германия е около 0,7 електронволта. Така че обикновено е по-малко от около два електронволта. Отново, това не е много важно за момента, не е нужно да се притесняваш много, има значение само, че е малко. И, като резултат, ако увеличиш температурата до, да кажем, стайна температура и опиташ да възбудиш електроните, в сравнение с изолаторите, електроните тук са по-лесно възбудими. При стайна температура ще откриеш много повече електрони в тази по-високоенергийна зона, готови да провеждат, в сравнение с изолаторите. Но, разбира се, те не са толкова добри като проводниците, понеже при проводниците нямаш изобщо забранена зона, така че всички електрони тук стават свободни. Тук много малко количество електрони могат да станат свободни, почти никакви електрони и казвам почти, понеже някои електрони ще станат свободни – това е причината тези материали да се наричат полупроводници. Единственото нещо, което трябва да знаем, са имената на тези две енергийни зони. Най-високоенергийната зона при нула келвина наричаме валентна зона. Тези зони, най-високоенергийните зони, се наричат валентни зони. Когато някой каже валентна зона, аз се сещам за най-високоенергийната зона при нула келвина. В повечето случаи тя е изцяло запълнена, поне когато става въпрос за изолатор или полупроводник. Запълнена е изцяло. Между другото, тя се нарича валентна, понеже дори в атомите имаме така наречените валентни обвивки – най-външната обвивка, която съдържа електрони. Думата идва от там. Следващата най-високоенергийна зона, в която се осъществява електропроводимостта – електроните трябва да отидат там, за да има електропроводимост – наричаме зона на проводимост. Тези зони се наричат зони на проводимост. Обърни внимание, че при нула келвина зоната на проводимост е почти винаги празна, напълно празна поне при изолаторите и полупроводниците. Може би се питаш какво правим при проводниците. Просто не дефинираме валентни зони и зони на проводимост, понеже, както виждаш, при проводниците всъщност имаш една гигантска зона, можеш да я наречеш валентна зона – цялото това нещо – понеже това е зоната с най-високоенергийни електрони. Можем също да наречем това зона на проводимост, понеже това е зоната, в която може да протича ток. Така че това губи значението си при проводниците, но имат много специфично значение при изолаторите или полупроводниците.