Zonalar nazariyasining elementlari

Zonalar nazariyasining elementlari.

Elektron nazariyani rivojlanishi natijasida qattiq jismlarning zonalar nazariyasi ishlab chiqildi. Bu nazariyada qattiq jism kristall tuzilishiga ega deb qaralib, shu kristall panjaralar orasida harakatlanuvchi elektronlarning xolatlari o’rganiladi. Kristall panjaradagi elektron ham erkin elektronlar kabi panjaraning davriy potensial maydonida harakat qiladi.

Pauli prinsipiga asosan kristallardagi elektronlar ma’lum energetik holatlarda turaoladi. Bu energetik holatlar energetik zonalarga birikadi. Energetik zonalar esa bir - birlaridan man qilingan zonalar bilan ajralgan bo’ladi. (15.1(a)- rasm).

Atomlarning birlashishi natijasida vujudga keladigan kristallda hosil bo’ladigan zonalarni kelib chiqishini aniqlaylik.

Buning uchun dastlab N dona izolasiolangan atomdan iborat jismni ko’raylik. Izolasiyalangan atomdagi elektronlarning xolati 4 ta kvant soni n, l, m_l , m_s bilan xarakterlanishi bizga maolum, yaoni ular i’tiyoriy energiyaga ega bo’lmasdan diskret qiymatli energiyaga ega bo’ladilar. Bu atomda xar bir xolat energetik diagrammada bitta energetik sat’ni tashkil qiladi. (15.1(b) -rasm).

Agar atomlar bir-birlariga yaqinlashsa, ular orasidagi o’zaro taosir orta boradi, ular orasidagi masofa juda yaqin bo’lsa, xar bir atom qo’shni atom hosil qilgan juda kuchli elektr maydonda turib u bilan o’z maydoni orqali taosirlashadi. Natijada, elektronlarning energetik sat’lari parchalanadi, yaoni N ta bir xil energetik sat’lar o’rniga N ta bir-biriga yaqin, lekin mos kelmaydigan sat’lar xosil bo’ladi. SHunday qilib, izolyasiolangan atomdagi xar bir energetik sat’, kristallarda Nta zich joylashgan zonalardan iborat bo’lgan energetik sat’lar to’plamini xosil qiladi.

Demak, qattiq jismda izolyasiolangan aloxida energetik sat’lar o’rniga energetik zonalar xosil bo’lar ekan.

15.1-rasm

Parchalanish darajasi barcha sat’lar uchun bir xil emas. Atomdagi tashqi elektronlar (valentli) joylashgan sat’lar kuchli taosirga uchrab, ichki elektronlar joylashgan sat’lar esa kuchsiz o’zgaradi.

1) elektronsiz energetik sat’lar zonasi.

2) valent elektronli energetik sat’lar zonasi.

3) ichki elektronlar joylashgan energetik sat’lar zonasi.

15.2-rasm

Energetik zonalardagi energetik sat’lar orasidagi energiya farqi ~ 15^-22 eV bo’ladi, demak energetik zonalar amalda uzluksiz spektrni beradi. Bu esa, o’z navbatida elektronni bitta zona bilan chegaralangan energetik sat’larda harakat qila olishini ko’rsatadi, yaoni berilgan zonadagi elektronlar bir atomdan ikkinchi atomga o’ta olib, xamma atomlar uchun umumiy bo’lib qoladi.

Energetik zonadagi xamma sat’lar elektronlar bilan band bo’lsa, bunday zonani to’ldirilgan zona deb ataladi.

Elektronlar turishi mumkin bo’lgan zonalar ru’sat etilgan zonalar deb ataladi.

Kristallardagi atomlarning xossalariga qarab muvozanatli xolatda ikkita atom orasidagi masofa r₁ ko’rinishda yoki r₂ ko’rinishda bo’ladi, r₁ ko’rinishda xolatlar o’rtasida man qilingan zona hosil bo’ladi, r₂ masofada esa qo’shni zonalar bir-birini berkitadi.

Kristallardagi energetik zonalar, SHredinger tenglamasini yechish bilan aniqlanadi.

Kristalldagi elektronlar deyarli erkin elektronlar bo’lib, ular potensial maydonda harakatlanadi deb qaraymiz. Bu maydonni kristall panjara hosil qiladi.

Bu maydonda xarakatlanyotgan elektronning holati SHredinger tenglamasi bilan ifodalanadi,

 (15.1)

bu yerda U - elektronnning potensial energiyasi.

Davriy potensial maydon uchun (15.1) tenglamaning yechimi

y_k = u_k(r) e ^-ikr (15.2)

 

ko’rinishda bo’lishini Blox isbotlagan. (15.2) funksiyani Blox funksiyasi deyiladi, bu yerda u_k(r) – panjara davri bilan o’zgaradigan davriy funksiya.

Erkin elektronlar energiyasining to’lqin soniga boliqlik grafigi

 (15.3)

15.2 - rasmdagidek, lekin energiyaning qiymati uzluksiz bo’lib ko’ringani bilan ye(k) diskret nuqtalar to’plamidan iborat, ammo bu nuqtalar shunday qalin joylashganki ular tekis chiziq bo’lib ko’rinadi.

Davriy o’zgaruvchi maydon uchun esa ye (k) bolanish 15.3 -rasmdagidek ko’rinishga ega.

15.3-rasm

15.3 - rasmda bir o’lchovli kristall uchun Brillyuen zonasi keltirilgan.  ,bunda (n=±1, ±2,...) nuqtalarda ye(k) uziladi va DE_o`,DE_o``, ... man qilingan zonalar vujudga keladi.

Agar k = 2p/l - to’lqin uzunligi orqali ifodalasak, ye (k) uzilib, man qilingan zonani xosil bo’lish sharti

nl=2a (15.4)

2a sina=nl - bu esa Vulpf - Bregg tenglamasi, yaoni atomlar joylashgan tekislikdan qaytayotgan to’lqinning to’lqin uzunligi l ni ifodalaydi.

Xaqiqatan xam elektronlar to’lqin xossasiga ega bo’lib, ularni kristalldagi harakatini elektronlar to’lqinining tarqalishi deb qarash mumkin.

Shunday qilib, kristallarda elektronlar energetik zonalar bo’ylab taqsimlangan bo’ladi.

Elektronlar kristallda past energetik zonadan boshlab yuqori zonalarga qarab to’lib boradi.

Zonalardagi elektronlarning taqsimlanishi va man qilingan zonalarning kengligiga qarab qattiq jismlar o’tkazgich, yarim o’tkazgich va izolyatorlik xossalariga ega bo’ladi (15.4 - rasm).

Zonaviy nazariya — kristall panjaraning davriy maydonida harakatlanayotgan valent elektronlar toʻgʻri-sidagi nazariya; qattiq jism kvant mexanikasining asosiy boʻlimlaridan biri. 3. n. asosini F. Blox (1928) va fransuz fizigi L. Brillyuen (1930) yaratdi.

Qattiq jiyemning elektr, optik, mexanik, issiklik va magnit xossalari valent elektronlarga bogʻliq boʻladi. Maʼlumki, atomda elektron bir necha muayyan energetik holatga ega, shunga moye ravishda bir necha energiya zonasi vujudga keladi. Ammo baʼzi zonalar ustma-ust tushishi ham mumkin. Har bir zonadagi satxlar soni kristall panjaradagi atomlar soni N ga teng . Bu satxlarda elektronlar Pauli prinsi-pita muvofiqjoylashadi. Endi elektronlar ayrim atomga emas, balki butun kristallga tegishli boʻlib qoladi. Metallarda tegishli atomning valent elektroni energetik sathidan hosil boʻlgan energiyalar zonasi elektronlar bilan chala toʻladi. Tashqi elektr maydoni taʼsirida bu zonadagi elektronlar yuqoriroqdagi boʻsh sathlarga oʻtadi va elektr tokini oʻtkazishda ishtirok etadi. Kristalldagi butunlay toʻlgan zonalar valent z o nal ar, chalatoʻlgan va boʻsh zonalar oʻtkazuvchanlik zonalari deb ataladi.

T-ra mutlaq noldan yuqori boʻlganda issiklik harakati oqibatvda valent zonadagi elektronlarning bir qismi boʻsh zonaga (oʻtkazuvchanlik zonasiga) oʻtadi va tashqi elektr maydoni taʼsirida tezlashib, elektr toki hosil qilishda ishtirok etadi. Elektronlardan boʻshagan joylar ("kovaklar") ham tok oʻtkazishda qatnashadi. T-ra mutlaq nolga teng boʻlganda valent zonada boʻsh oʻrinlar boʻlmagani uchun tashqi elektr maydoni bundagi elektronlarni tezlashtira olmaydi (tartibli harakatga keltira olmaydi) va tok hosil boʻlmaydi.

3. n. natijalari qattiq jismning koʻpgina muhim qonuniyatlari va xossalarini tushuntirishga imkon beradi hamda xoz. zamon metallar, yarim-oʻtkazgichlar va dielektriklar fizikasining rivojlanishiga asos boʻladi. ^[1]