Билет №1. Зонная теория строения вещества. В чем отличие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории.

Исследование спектров излучения различных веществ показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней запол­нена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие; при этом он возбуждается. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна .354

Когда из отдельных атомов образуются молекулы, а из молекул образуется вещество, все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные элек­тронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдель­ных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целые полосы — зоны энергетических уровней (рис. 1.2).

W

2

4

1

3

Рис 1.2 Схема расположения энергетических уровней уединенного атома (слева) и твердого тела (справа)878гшщзлджэ

.

Нормальные энергетические уровни 1 образуют заполненную электронами зону 2 (валентную зону). Уровни возбужденного состояния атома 3 образуют свободную зону 5 (зона проводимости). Между валентной зоной и зоной проводимости располагается запрещенная зона 4. Ширина запрещенной зоны W измеряется в электрон-вольтах.

На рисунке 1.3 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в). Обозначения те же, что и на рис. 1.2.

а) б) в)

Рис 1.3 Энергетические диаграммы твердых тел: диэлектрика (а),

полупроводника (б) и проводника (в)

У диэлектриков запрещенная зона (а следовательно, и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика (W = 3…7 эВ), что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронная электропроводность не наблюдается. Однако при воздействии высоких температур и/или сильных электрических полей связанные электроны могут переходить в свободную зону. При этом диэлектрик теряет свои изоляционные свойства.

Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону (W = 0,5…2,5 эВ). Она может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например температуры , света или других источников энергии.

У проводников валентная зона вплотную примыкает к зоне проводимости или даже перекрывается ею.

Билет №2. Электронная поляризация. Ее зависимости от частоты и температуры.

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического поля, является поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время уста­новления электронной поляризации ничтожно мало (около 10^-15 с).

Для понимания механизма электронной поляризации рассмотрим рис. 2.2. Как видно из рисунка при отсутствии электрического поля (рис. 2.2, а) электрон (-) вращается вокруг ядра (+) симметрично относительно его центра. Если принять скорость электрона достаточно большой, можно сделать допущение, что заряд электрона распределен равномерно по оси его вращения. А значит, центры положительного и отрицательного зарядов будут совпадать и находиться в центре атома.

а) б)

Рис 2.2 Положение зарядов в атоме без приложения электрического поля (а)

и в электрическом поле (б).

Если приложить электрическое поле (рис. 2.2, б), заряды начнут смещаться к противоположным обкладкам и орбита электрона будет деформироваться. В такой системе центры положительного и отрицательного (точка 1) зарядов перестают совпадать, а в диэлектрике вблизи обкладок начнут накапливаться заряды (см. рис. 2.1 б).

На рис. 2.3 показано влияние внешних факторов на величину электронной поляризации.

Рис 2.3 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (T)

и частоты (f).

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры обусловлена тепловым расширением вещества и, соответственно, уменьшением числа атомов и молекул в единице объёма. Зависимость от частоты электрического поля отсутствует, поскольку электронная поляризация протекает практически мгновенно.