Qattiq jismlar

5.4 – rasm. Si atomining tashqi elektron sathlari o’rniga Si kristallida hosil bo’ladigan energetik sohalar.

Demak, elektronlarning kristallda energetik sathlari – energetik sohalardan iborat bo’lib, har bir energetik soha bir – biridan taqiqlangan sohalari bilan ajralib turadi. Har bir energetik soha kengligi ( eV hisobida) shu energetik sohani hosil qilgan atomdagi elektron qobiqlarning yadrodan qanchalik uzoqda joylashishiga bog’liq bo’ladi. Atomning elektronlar bilan to’lgan qobiqlari asosida hosil bo’lgan energetik sathlarning har bir sathida qarama – qarshi spinga ega bo’lgan 2 tadan elektron bor bo’lib, ularga tashqi maydon qo’yilganda ularning siljishi mumkin bo’lmaganligi uchun, ular tok o’tkazishda ishtirok eta olmaydi. Shuning uchun qattiq jismni tashkil etgan atomlar valent elektronlari joylashgan elektron qobiqlari asosida hosil bo’ladigan energetik sohalar – shu qattiq jismning tabiati – uning elektr o’tkazuvchanlik xususiyatlarini aniqlab beradi. Bunda 3 ta holat yuz beradi: 1 – holda valent elektronlari hosil qilgan energetik sathlar to’lmagan bo’ladi. Bu faqat toq valent elektronlariga ega bo’lgan atomlar ( Cu,Ag ishqoriy metallar… ) ga tegishlidir. Bunday energetik sathning yarmi elektronlar bilan to’lgan yarmi esa bo’sh bo’lib, tashqi elektr maydon qo’yilganda, elektronlar o’zlarining kinetik issiqlik energiya ( E = kT) lari hisobiga band energetik sathlardan bo’shlariga o’tib, elektr toki o’tkazishda qatnasha oladi. Chunki biz yuqorida keltirganimizdek, hosil bo’lgan energetik sohada energetik sathlar energiyalarining farqi juda kichik ya’ni ∆E=10²² eV ga teng, bu esa hatto eng past harorat ( T=1K ) dagi issiqlik energiyasi ( E = 8,8∙10^-5 eV ) dan o‘ta kichikdir. Mana bunday tashqi energetik sathga ega bo’lgan qattiq jismlar tokni juda yaxshi o’tkazadi va ular metallar deb ataladi. Juda ko’p metallarda valent energetik soha keyingi bo’sh o’tkazuvchanlik sohasi bilan qo’shilgan bo’ladi. 2 – holatda valent elektronlari hosil qilgan energetik soha elektronlar bilan to’la band bo’ladi. Bu holat tashqi valent elektronlari juft bo’lgan atomlar, masalan Si (1s²2s²2p⁶3s²3p²). Agar bunday atomlarda elektron bilan band bo’lgan sohadan keyingi elektronlardan holi energetik soha orasidagi energiya farqi, ya’ni taqiqlangan soha kengligi ∆E_g<3eV bilan ajralib tursa, bu materiallga tashqaridan elektr maydoni qo’yilganda, elektronlar faqat valent energetik sohasidan keyingi sohaga ∆E_g ni yengib o’tgandagina o’tkazuvchanlikka qatnashishi mumkin. Endi valent elektronlarining har bir sekundda keyingi bo’sh sohaga o’tish ehtimoli:

ga teng bo’ladi. Bunda n_o – valent soha chegarasidagi elektron zichligi, p_o – bo’sh sohaning eng pastki qismida elektronlarni qabul qilish joylar zichligi. Demak, ∆E_g qancha katta bo’lsa, ehtimollik shuncha kam, harorat qancha katta bo’lsa ehtimollik eksponensiall ortar ekan. Bu degan so’z bunday qattiq jismlarda o’tkazuvchanlik qiymati faqat ∆E_g ga bog’liq bo’ladi. Agar ∆E_g < 3eV bo’lsa, xona haroratida ma’lum miqdordagi elektronlar keying bo’sh sohaga o’tib o’tkazuvchanlikka qatnashadi. Bunday qattiq jismlar yarim o’tkazgichlar deb qabul qilingan. 3 – holat, agar ∆E_g > 3eV ga ega bo’lgan holatda xona harorati va undan yuqori haroratlarda ham elektronlarning valent sohasidan bo’sh energetik sohaga o’tish ehtimoli juda kamayib ketadi, shunga mos ularda o’tkazuvchanlik o’ta kam bo’ladi. Bunday materiallar dielektriklar deb ataladi. Demak, valent elektronlarini hosil qilgan energetik sohani valent soha, undan keyingi bo’sh sohani o’tkazuvchanlik sohasi deb ataladi. Biz yuqorida hosil bo’ladigan energetik sohalar va ular orasidagi man etilgan sohalar qiymatlarini ularni tashkil etadigan elektron atom elektron qobiqlarining yadroga nisbatan joylashishiga bog’liq deb aytgan edik. Buning isboti sifatida IV – guruh elementlarini keltirish mumkin. Quyidagi jadvalda ularning tashqi elekrton qobiqlaridagi elektronlar keltirilgan. Ularning barchasini tashqi elekrton qobig’ida 4 tadan elektron( s²p² ) joylashgan va ular bir xil kimyoviy bog’lanishga ega bo’lishiga qaramay, ularning man etilgan energetik sohalarining qiymatlari bir – biridan juda farq qiladi.