7. Почему при образовании твердого тела энергетические уровни атомов расщепляются в энергетические зоны?

Рассмотрим мысленно «процесс образования» твердого тела из изолированных атомов. Пока атомы изолированы, т. е. находятся друг от друга на макроскопических расстояниях, они имеют совпадающие схемы энергетических уровней. По мере «сжатия» нашей модели до кристаллической решетки, т. е. когда расстояния между атомами станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни атомов смеща­ются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется зонный энергетический спектр.

Если электрон получит достаточный квант энергии, он отрывается от атома, происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс – соединение свободного электрона и положительного иона в нейтральный атом – носит название рекомбинации и сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна энергии, затраченной ранее на ионизацию атома.

При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных атомов расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны (рис.1.1, б). При этом, как и в отдельном атоме, на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположными спинами (сохраняется принцип Паули). Поскольку количество подуровней (N) велико (в 1 см3 твердого тела находится около 1022 – 1023 атомов), то энергетическое расстояние между подуровнями весьма мало, и электрон способен перемещаться с подуровня на подуровень от дна зоны к потолку даже при небольших внешних энергетических воздействиях, т.е. он ведет себя, как свободный. Это, однако, справедливо только в том случае, если верхние энергетические уровни в зоне не заняты, т.е. зона заполнена не полностью.

Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля (Т = 0 К), образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными электронами, называется валентной зоной.

Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не занятые электронами при Т = 0 К, образуют в кристалле свободные зоны. Ближайшую к валентной зоне свободную зону называют зоной проводимости, так как попавшие туда электроны могут перемещаться между атомами и создавать электрический ток. Электроны, находящиеся в заполненной зоне, перемещаться под действием поля (и соответственно набирать энергию) не могут, поскольку все энергетические уровни заняты, а согласно принципу Паули электрон не может переходить с занятого состояния на занятое. Поэтому электроны полностью заполненной валентной зоны не участвуют в создании электропроводности.

Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона Eg (она измеряется в электрон-вольтах (эВ)), в которой согласно законам квантовой механики электроны находиться не могут (подобно тому, как электроны в атоме не могут иметь энергии не соответствующие энергиям электронных оболочек).  Ширина запрещенной зоны является основным параметром, определяющим электрические свойства твердого тела.