3. Возникновение тепловых электронных дефектов

Кроме нарушения идеального расположения ионов, тепловая энергия может расходоваться на перемещение электронов, приводящее к возникновению в кристалле электронных дефектов (электронной разупорядоченности).

При образовании ионного кристалла атомы металла отдают электроны с внешней s-оболочки и превращаются в катионы с устойчивой электронной структурой предшествующего инертного газа (с заполненной внешней p-оболочкой). Атомы металлоида присоединяют электроны и достраивают свою внешнюю электронную оболочку, превращаясь в анионы с устойчивой электронной структурой ближайшего следующего инертного газа. При таком размещении электронов энергия кристалла минимальна – разрешенные зоны с низкой энергией заполнены целиком, а в разрешенных зонах с более высокой энергией электроны отсутствуют; все электроны локализованы у своих ядер и не могут перемещаться по кристаллу.

Перемещение электронов от узла к узлу становится возможным, если они переходят в ближайшую свободную разрешенную зону; для этого электроны должны обладать энергией, достаточной для преодоления запрещенной зоны, или энергетической щели – промежутка между разрешенными зонами. Эту энергию (ширину запрещенной зоны) обозначают E_g (индекс – первая буква английского слова gap – промежуток, зазор).

Если электрон, находящийся в заполненной зоне с наибольшей энергией (в валентной зоне) получает энергию, равную E_g, он переходит в ближайшую свободную разрешенную зону (зону проводимости) и получает возможность перемещаться от узла к узлу. В электрическом поле такие электроны будут перемещаться направленно от «+» к «-» – т. е. будут переносить заряд – и соответственно обеспечат электрическую проводимость кристалла. Поэтому такие электроны называют электронами проводимости; в дальнейшем они обозначаются e. После ухода электрона в валентной зоне возникает дефицит электрона – «электронная вакансия». При этом узел с электронной вакансией приобретает по сравнению с таким же узлом без электронной вакансии избыточный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Таким образом, вакансия электрона имеет заряд +1. Общепринятое название электронной вакансии – «дырка», а обозначается она e⁺.

Электроны от узлов с заполненными уровнями могут переходить к соседнему узлу с электронной вакансией, при этом им не нужно преодолевать энергетический барьер благодаря квантовомеханическому туннельному эффекту. Скачок электрона в вакансию электрона соседнего узла соответствует перемещению дырки в обратном направлении; очевидно, в электрическом поле дырки перемещаются от «-» к «+».

Процесс образования пары электронных дефектов – электрона проводимости и дырки – можно описать следующим образом:

электрон в валентной зоне  электрон в зоне проводимости + + дырка в валентной зоне

(процесс обратим, поскольку электрон может вернуться из зоны проводимости в валентную зону),

или, с учетом того, что нахождение электрона в валентной зоне – это его нормальное состояние,

е_е  е^– + е⁺, (13)

0  е^– + е⁺. (14)