Энергетические зоны в кристаллах

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория оптики и физики атома №2 (012)

 

 

РАБОТА № 11-а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

КРАСНОГО СВЕТОДИОДА

 

Составлено: профессор Ульянов А.И.

ассистент Воронцова Е.Н.

 

Ижевск, 2011

 

 

РАБОТА № 11-а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

КРАСНОГО СВЕТОДИОДА

 

Приборы и принадлежности: 1) спектроскоп УМ-2, 2) ртутная лампа, 3) полупроводниковый светодиод.

 

Энергетические зоны в кристаллах

Электроны в изолированном атоме имеют дискретные значения энергии, которые определяются квантовыми числами: n, ℓ, m и s. Здесь n - главное, ℓ- орбитальное, m - магнитное и s - спиновое квантовые числа. В электрическом и магнитном полях энергетические уровни электронов расщепляются.

Рис. 1
 
 

В твердом теле атомы находятся близко, действуют друг на друга электрическими и магнитными полями, образуя единую квантовую систему, содержащую огромное количество (1023 моль-1) атомов и электронов. Теория гласит: если в кристалле N атомов, то каждый уровень энергии, характерный для отдельного атома, расщепляется на N подуровней. Зафиксируем расщепление энергетических уровней на расстоянии d, равном межатомным расстояниям в кристалле. Рассмотрим расщепление энергетических уровней только внешнего, валентного электрона, находящегося в основном и возбужденном состояниях (рис. 1). Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон, называется валентной зоной.

Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон в возбуждённом состоянии, когда к нему подведут энергию, называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона, в которой электрон находиться не может. Ширина запрещённой зоны Eg составляет для разных материалов Eg = (0 ¸ 10) эВ, для полупроводников Eg ≈ (0,1¸1) эВ. Соседние энергетические уровни в валентной зоне и зоне проводимости находятся на очень малых расстояниях друг от друга ∆Е = 10-22 эВ. На каждом энергетическом уровне валентной зоны в соответствие с принципом Паули может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами (рис. 2а).