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 представляет собой наивысший диапазон электронных энергий , в котором электроны обычно присутствуют при температуре абсолютного нуля , в то время как зона проводимости представляет собой наинизший 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 не имеет смысла, поскольку проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
В полупроводниках и изоляторах две зоны разделены запрещенной зоной , тогда как в проводниках зоны перекрываются. Запрещенная зона — это энергетический диапазон в твердом теле, где не может существовать никаких электронных состояний из-за квантования энергии. В рамках концепции зон энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной. [1] Электропроводность неметаллов определяется восприимчивостью 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 действовать как носители заряда зависит от наличия вакантных электронных состояний. Это позволяет электронам увеличивать свою энергию (т. е. ускоряться ) при приложении электрического поля . Аналогично, дырки (пустые состояния) в почти заполненной валентной зоне также допускают проводимость.
Таким образом, электропроводность твердого тела зависит от его способности пропускать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Следовательно, в случае полуметалла с областью перекрытия электропроводность высока. Если имеется небольшая ширина запрещенной зоны (E g ), то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости возможен только при подаче внешней энергии (тепловой и т. д.); такие группы с малым E g называются полупроводниками . Если E g достаточно велико, то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости становится незначительным при нормальных условиях; такие группы называются изоляторами .
Однако в полупроводниках есть некоторая проводимость. Это происходит из-за теплового возбуждения — некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть запрещенную зону за один раз. Как только они оказываются в зоне проводимости, они могут проводить электричество, как и дырка, которую они оставили в валентной зоне. Дырка — это пустое состояние, которое дает электронам в валентной зоне некоторую степень свободы.
Смещение края зоны проводимости и/или валентной зоны, зависящей от размера, является явлением, изучаемым в области полупроводниковых нанокристаллов . Радиус предела возникновения полупроводникового нанокристалла является эффективным радиусом Бора нанокристалла. Края зоны проводимости и/или валентной зоны смещаются на более высокие энергетические уровни под этим пределом 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]