Валентная зона

Вале́нтная зо́на — энергетическая область разрешённых электронных состояний в твёрдом теле, заполненная валентными электронами. В зонной теории это первая зона (если двигаться по энергии электронов сверху вниз), целиком или большей частью расположенная ниже уровня Ферми. Электроны находящиеся в валентной зоне (валентные электроны) участвуют в образовании химических связей.

Модель зонной структуры металла с потенциальными ямами на примере магния.

Верхний край валентной зоны называется её потолком. Его энергия обозначается $E_{v}$ (от англ. valence (v-) band). Численном значение $E_{v}$ несущественно, так как важна только разница между энергией этого края и энергией других выделенных уровней (уровня Ферми $E_{F}$ , нижнего края зоны проводимости $E_{c}$ и др.).

Аналогом энергии верхней границы валентной зоны в молекулярных системах (кластерах) является энергия верхней занятой молекулярной орбитали (англ. highest occupied molecular orbital (HOMO)).

Валентная зона в металлах

В случае одновалентного металла, например, натрия, каждый атом в кристаллической решётке даёт один валентный электрон в межатомную связь (основная конфигурация атома натрия 3s¹). Таким образом, в случае натрия образуется 3s-валентная зона натрия. Поскольку атом натрия вносит только один валентный электрон в энергетическую зону, 3s-зона в кристалле натрия заполнена согласно принципу Паули лишь наполовину и поэтому электроны в этой зоне могут изменять своё состояние, то есть способны перемещаться под действием внешнего электрического поля, что делает кристалл натрия электропроводным.

Структура валентной зоны иная у двухвалентных металлов, например, магния. Магний имеет два валентных электрона (основная конфигурация атома магния 3s²), поэтому можно было бы ожидать, что он будет изолятором, так как его валентная зона полностью заполнена парами электронов с антипараллельными спинами. Из-за суперпозиции энергии электронов со следующей более высокой энергетической зоной называемой второй валентной зоной, в случае магния — это зона 3p, электроны могут перемещаться из первой во вторую валентную зону, так что обе зоны оказываются заполненными лишь частично, при это электроны распределяются между этими зонами не просто поровну, а в соответствии с некоторой плотностью состояний.

Аналогичная ситуация с перекрытием подзон наблюдается и в случае алюминия (основная конфигурация атома алюминия 3s² 3p¹), где теоретически зона 3s должна бы быть полностью заполнена, а зона 3p заполнена наполовину. Однако из-за суперпозиции энергетических зон обе зоны оказываются заполнены лишь частично, как и в случае магния.

Валентная зона в полупроводниках и диэлектриках

В полупроводниках при абсолютном нуле температуры валентная зона заполнена электронами целиком и поэтому электроны не дают вклада в электропроводность и другие кинетические эффекты, вызываемые внешними полями так как не могут изменить своё состояние.

При температуре выше абсолютного нуля происходит тепловая генерация носителей заряда, в результате которой часть электронов переходит в расположенную выше по энергии зону проводимости или на расположенные в запрещённой зоне примесные уровни. При этом в валентной зоне образуются вакансии называемые дырками, участвующие вместе с электронами находящимися в зоне проводимости в электропроводности.

Дырки в валентной зоне могут также возникать при нетепловом возбуждении полупроводника — освещении, облучении потоком ионизирующих частиц, воздействии сильного электрического поля вызывающего лавинный пробой полупроводника.

Диэлектрики можно рассматривать как полупроводники с большой шириной запрещённой зоны, поэтому такие вещества практически не проводят электрический ток, так как концентрация носителей заряда в них очень мала даже при высокой температуре.

Литература

Kittel, Charles. Introduction to solid state physics. — Hoboken, NJ : Wiley, 2005. — ISBN 047141526X.