KYP0040 MATERJALITEADUSE ÜLDALUSED - tud.ttu.ee

lähenemisel üksteisele (kristallis) toimub aatomite vastasmõju tulemusena väliskihtide elektronide
energianivoode lõhustumine peaaegu pidevateks elektronide energiaribadeks (tsoonideks). Igas
tsoonis on N lähedase energiaga nivood (olekut), kus N on aatomite arv kristallis. Joonisel 11-1 on
näidatud 12 aatomist koosneva kogumi 1s ja 2s elektronide nivoode lõhustumine aatomite
lähenemisel elektronide energiatsoonideks, kus on 12 nivood. Igal nivool võib olla 2 elektroni
(vastupidise spinniga), seega kokku 2N elektroni. Iga tsoon sisaldab vaid elektrone, mis vastavad
isoleeritud aatomi vastavale nivoole.
Energiatsoonide ehitus kristallis aatomite tasakaalulise vahekauguse korral on näidatud joonisel 11-
2. Osa energiatsoone võivad olla tühjad või ainult osaliselt täidetud elektronidega. Tahkete
materjalide elektrilised omadused sõltuvad energiatsoonide ehitusest ja nende täitumisest
elektronidega.
Tsooni, mis tekib kõige suurema energiaga elektronidest (valentselektronidest) nimetatakse
valentstsooniks. Järgmine suuremate lubatud energiatega tsoon on juhtivustsoon. Nende vahel asub
keelatud energiate tsoon – keelutsoon.
Energiatsoonide ehituseks on neli võimalust (joonisel 11-3 on esitatud tsoonid 0 K juures):
1) Valentstsoon on osaliselt tühi (joon 11-3a). Kõrgeimat nivood, mis 0 K juures on elektronidega
täidetud, nimetatakse Fermi nivooks. Temale vastab energia E f . Selline tsoonide ehitus on omane
metallidele, mille väliskihis on üks s elektron (näiteks Cu, millel on väliskihis 4s 1 elektron).
Valentstsoonis võib olla 2N elektroni, on aga ainult N elektroni. Sellise tsoonidiagrammiga ained on
elektrijuhid.
2) Valentstsoon on täis, kuid kattub osaliselt juhtivustsooniga (11-3b). Näiteks Mg, tal on väliskihis
3s 2 elektroni, seega valentstsoonis 2N elektroni ja valentstsoon on täis. Kuid see 3s elektronide
tsoon kattub osaliselt 3p elektronide tsooniga. Ka sellise tsoonidiagrammiga ained on juhid.
3) Valentstsoon on täis ja ei kattu juhtivustsooniga, keelutsoon on lai (11-3c). Selline materjal
dielektrik (isolaator).
4) sama, keelutsoon on kitsam (11-3d). Materjal on pooljuht. Fermi nivoo asub keelutsooni keskel.
11.2.2 Materjalide juhtivus
Elektriväljas saavad liikuda (ja tekitada juhtivuse) ainult need elektronid, mille energia ületab Fermi
nivoo energia. Neid elektrone nimetatakse vabadeks. Seega elektroni vabastamiseks tuleb ta viia
Fermi nivoost kõrgemale tühjale nivoole (anda energiat juurde).
Elektrijuhtides (metallides) on selleks vaja juurde anda tühine energia, kuna nivood asuvad väga
lähedal (olekute energia on lähedane). Selline olukord on näidatud joonisel 11-4. Juba elektrivälja
enda energiast piisab, et vabastada väga suur hulk elektrone.
Isolaatorites ja pooljuhtides puuduvad täidetud valentstsoonile lähedased elektronidele lubatud
tühjad nivood. Elektroni vabastamiseks on vaja ta viia valentstsoonist juhtivustsooni, st anda juurde
energia, mis vastab keelutsooni laiusele E g (joon 11-5). Elektrivälja energiast selleks ei piisa.
Elektrone on võimalik ergastada juhtivustsooni, st vabastada, soojusenergia ja kiirgusenergia abil.
Seega temperatuuri tõusuga suureneb ka vabade elektronide kontsentratsioon.
11.3 Elektronide liikuvus
Elektriväli kiirendab vabu elektrone. Vool läbi materjali suureneb ajas, kuid saavutab peagi
konstantse väärtuse, mis on määratus materjali takistusega. See on tingitud sellest, et elektronid
põrkuvad oma kiireneval liikumisel aatomite ja kristallvõre defektidega, mille tõttu kalduvad
55