Отличие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории

Отличие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории заключается в величине ширины запрещенной зоны $\Delta E_g$ между валентной зоной и зоной проводимости. У проводников запрещенная зона отсутствует или зоны перекрываются, что обеспечивает высокую проводимость. У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая (до $3\text{ eV}$), поэтому при нагревании электроны переходят в зону проводимости. У диэлектриков запрещенная зона превышает $3\text{ eV}$, из-за чего свободные носители заряда практически отсутствуют.

$\Delta E_g = E_c - E_v$

Разбор по случаям

Примеры

Сравнение кремния и меди. Медь является проводником, так как валентная зона и зона проводимости перекрываются, то есть $\Delta E_g = 0$. Электроны свободно перемещаются при любом приложенном напряжении.

Кремний — полупроводник с шириной запрещенной зоны $\Delta E_g \approx 1{,}1\text{ eV}$.

При комнатной температуре часть электронов получает энергию и преодолевает этот барьер. Так зонная теория проводников, полупроводников и диэлектриков объясняет разницу в их проводимости.

Алмаз как диэлектрик. У алмаза ширина запрещенной зоны составляет около $5{,}5\text{ eV}$. Чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется огромная энергия. При обычных условиях энергии теплового движения недостаточно, поэтому алмаз не проводит ток. Так зонная теория проводников, полупроводников и диэлектриков показывает, почему диэлектрики служат надежными изоляторами в электрических цепях.

Частые ошибки

• Путаница между валентной зоной и зоной проводимости при описании движения свободных электронов.
• Ошибочное утверждение, что у диэлектриков полностью отсутствуют электронные энергетические уровни.
• Предположение, что полупроводники проводят ток так же хорошо, как металлы при абсолютном нуле.

Коротко

Основное отличие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в величине энергетического зазора $\Delta E_g$ между уровнями. Изученная зонная теория проводников, полупроводников и диэлектриков позволяет точно предсказывать электрические свойства материалов при различных температурах.