Зонная теория твердого тела представляет собой удобную модель, которая позволяет наглядно объяснить ряд электрических явлений и, в первую очередь, электропроводность электротехнических материа­лов. Первоначально она была разработана для кристаллических твердых тел, однако в последние годы ее представления стали распростронять и на аморфные (стеклообразные) вещества, включая полимеры.

Суть зонной теории заключается в следующем. Изучение спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии показало наличие определенных энергетических состояний для атомов каждого элемента. В зависимости от энергетического состояния атома его электроны находятся на тех или иных энергетических уровнях (орбиталях). Энергетические уровни дискретны и разделены интервалами запрещенных значений энергий. Если отдельный свободный атом (рис. 1.10, а) находится в нормальном (невозбужденном) состоянии, то его электроны расположены на минимальном энергетическом уровне (1).

При поглощении атомом энергии его электрон (или электроны) переходит(ят) на более высокий энергетический уровень (2) (рис. 1.10, б). Такое состояние атома неустойчивое, и через короткий промежуток времени (у газа 10 – 8 с) электрон возвращается на свой прежний энергетический уровень, а атом при этом излучит избыточную энергию. Чем дальше находится электрон от атомного ядра, тем выше его энер­гетический уровень.

В нормальном невозбужденном состоянии атома часть уровней заполнена электронами, находящимися в устойчивом состоянии. При возбу­ждении атома внешними энергетическими воздействиями часть электронов переходит на более высокие уровни.

Если же вещество находится в конденсированном агрегатном состоя­нии, т.е. в жидком или, тем более, в твердом состоянии, происходит взаи­модействие атомов. Электронные уровни при этом смещаются, и вместо отдельных уровней образуются зоны энергетических уровней (рис.1.10, в – д).

Представим себе уединенный атом вещества. Для него характерны вполне определенные энергетические уровни, на которых могут находиться электроны. Схематически уровни изображены (см. рис. 1.10) в виде горизонтальных линий, лежащих тем выше, чем выше энергия, соответствующая данному уровню. Электроны, обозначенные черными кружочками, находятся на уровнях наименьшей энергии и могут перейти на высшие уровни (согласно принципу Паули) только при сообщении атому дополнительной энергии в виде тепла, квантов света и т.п.

Рис. 1.10. Энергетические уровни

При соединении многих атомов в твердое тело вследствие воздействия атомов друг на друга электронные уровни каждого атома несколько смещаются и из отдельных энергетических уровней уединенных атомов образуется целая полоса – зона энергетических уровней: 1 – зона, заполненная электронами; 2 – запрещенная зона; 3 – свободная зона (рис. 1.10, б).

В проводнике зоны 1, 3 примыкают друг к другу, что обеспечивает беспрепятственный переход электронов в свободную зону 3 и большую электронную проводимость вещества. В диэлектрике между зонами 1, 3 лежит большой энергетический барьер, который (за исключением особых условий) исключает возможность перехода электронов в свободную зону. В полупроводнике также имеется энергетический барьер, но небольшой величины, поэтому всегда существуют условия для того, чтобы часть электронов попала в свободную зону.

Внешние (валентные) электроны атома на уровнях заполненной (ва­лентной) зоны 1 не являются свободными и не могут принимать участия в процессе переноса зарядов и создания электрического тока в веществе. Они могут стать свободными и принять участие в электропроводности, пе­рейдя через запрещенную зону 2 и попав в свободную зону 3 только в слу­чае получения ими извне некоторой порции энергии ΔW.

В обычных условиях проводимость веществ, имеющих большое значение ΔW мала. Эти вещества получили названия диэлектриков у них ΔW > 3 эВ. У по­лупроводников ΔW < 3 эВ, поэтому даже небольшие внешние энергетические воздействия (нагрев, облучение, электрическое поле и т.д.) способны перебрасывать часть электронов из заполненной валентной зоны в свобод­ную (зону проводимости) и, тем самым, создавать электронную проводи­мость, значение которой существенно зависит от интенсивности внешних энергетических воздействий. Наконец, у проводников запрещенная зона отсутствует, так что большое число электронов является свободными; поэтому и проводимость велика и не зависит от напряженности электрического поля.

Таким образом, различие между диэлектриками и полупроводниками не качественное, а количественное, и четкой границы между диэлектрика­ми и полупроводниками не существует. В то же время различие между проводниками и полупроводниками, а тем более диэлектриками – принци­пиальное, и граница между проводниками и полупроводниками, которая определяется равенством нулю и неравенством нулю ширины запрещенной зоны, имеется весьма четкая.