В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, наиболее близкими к уровню Ферми , и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В неметаллах валентная зона — это самый высокий диапазон энергий электронов , в котором электроны обычно присутствуют при абсолютной нулевой температуре, а зона проводимости — это самый низкий диапазон вакантных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры полупроводникового материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости — выше него.
Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах бессмысленно, поскольку проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые принимают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
В полупроводниках и изоляторах две зоны разделены запрещенной зоной , а в проводниках зоны перекрываются. Запрещённая зона — это область энергии в твёрдом теле, где не могут существовать электронные состояния из-за квантования энергии . В рамках концепции зон энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной. [1] Электропроводность неметаллов определяется склонностью электронов к возбуждению из валентной зоны в зону проводимости.
.svg/1280px-Semiconductor_band_structure_(lots_of_bands_2).svg.png)
В твердых телах способность электронов выступать в качестве носителей заряда зависит от наличия вакантных электронных состояний. Это позволяет электронам увеличивать свою энергию (т. е. ускоряться ) при приложении электрического поля . Точно так же дырки (пустые состояния) в почти заполненной валентной зоне также допускают проводимость.
Таким образом, электропроводность твердого тела зависит от его способности переносить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Следовательно, в случае полуметалла с областью перекрытия электропроводность высока. Если имеется малая запрещенная зона (Е г ), то переток электронов из валентной зоны в зону проводимости возможен только при подаче внешней энергии (тепловой и т. д.); эти группы с малыми E g называются полупроводниками . Если E g достаточно велико, то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости в нормальных условиях становится незначительным; эти группы называются изоляторами .
Однако полупроводники обладают некоторой проводимостью. Это происходит из-за теплового возбуждения — некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть запрещенную зону за один раз. Попав в зону проводимости, они могут проводить электричество, как и дырка, которую они оставили в валентной зоне. Дырка — это пустое состояние, которое предоставляет электронам в валентной зоне некоторую степень свободы.
Смещение границ зависящей от размера зоны проводимости и/или валентной зоны — явление, изучаемое в области полупроводниковых нанокристаллов . Пределом радиуса появления полупроводникового нанокристалла является эффективный боровский радиус нанокристалла. Края зоны проводимости и/или валентной зоны смещаются на более высокие энергетические уровни ниже этого предела радиуса из-за дискретных оптических переходов, когда полупроводниковый нанокристалл ограничен экситоном. В результате этого смещения края размер зоны проводимости и/или валентной зоны уменьшается. Это зависящее от размера смещение края зоны проводимости и/или валентной зоны может предоставить много полезной информации относительно размера или концентрации полупроводниковых наночастиц или зонных структур. [2]