Электроны проводимости

С квазиклассической точки зрения все электроны в кристалле находятся в постоянном движении, однако в равновесном состоянии на каждый электрон, двигающийся в каком-либо направлении приходится ровно один электрон, двигающийся в обратную сторону, и переноса электрического заряда (протекания электрического тока через кристалл) не наблюдается. При переходе в неравновесное состояние для протекания электрического тока необходимо разогнать электроны (несущие отрицательный заряд) в сторону, противоположную протеканию тока (за направление тока принимается перенос положительного заряда). Однако это связано с двумя фундаментальными трудностями: во-первых, большинство внешних полей одинаково действуют на все электроны (например, электрическое поле действует на любой электрон с силой равной произведению заряда электрона на напряженность поля); а во-вторых, ускорение электрона приводит к изменению его скорости (или, эквивалентно, волнового вектора), что, в соответствии с принципом Паули, разрешено только если в пространстве состояний имеется не занятое состояние с таким волновым вектором. В результате при включении электрического (магнитного или иного поля, например температурного градиента) вся совокупность квазиклассических электронов в любой энергетической зоне кристалла стремится ускориться, а значит совокупно сместиться в пространстве состояний (пространстве волновых векторов, к-пространстве). Однако в энергетически низких валентных зонах все свободные состояния уже заняты и принцип Паули такое смещение запрещает. В этом приближении диэлектрики под воздействием внешнего поля просто не меняются и их состояние оказывается неотличимым от состояния равновесия, в котором ток не течет. Необходимо заметить, что при приложении гигантских полей электроны и в изоляторах могут переходить в состояния в соседних зонах, что приводит или к пробою или к поведению, аналогичному поведению полупроводников с широкой запрещенной зоной. Если же в зоне часть состояний оказывается пустой, то вся совокупность электронов в ней (заполняющая поверхность Ферми) смещается вместе с этой поверхностью на свободные места. Такая зона и называется зоной проводимости, поскольку часть электронов у смещенной поверхности Ферми оказываются в состояниях, не скомпенсированых электронами у противоположной стороны (и движущимися в противоположную сторону) из-за смещения поверхности, соответственно переносимый заряд этих электронов и является электрическим током. Понятно, что таких электронов тем больше, чем сильнее внешнее поле. Как следствие, можно так же заметить, что для бозонов принцип Паули не действует, их поверхность Ферми является точкой и соответственно все бозоны в кристалле ускоряются и начинают переносить свой заряд одновременно, а не начиная с тонкого слоя у поверхности Ферми, как электроны) с чем и связано явление сверхпроводимости (в этом случае бозоном является куперовская пара из двух электронов с зарядом в 2e).

С квазиклассической точки зрения электроны проводимости имеют много общих черт со свободным электронами. Это происходит потому, что, как и свободные электроны, они окружены не занятыми состояниями в k-пространстве. Однако благодаря взаимодействию с кристаллической решеткой они характеризуется другим законом дисперсии. Спин электрона проводимости тоже не обязательно 1/2, хотя он всегда разделён пополам, то есть электроны проводимости являются фермионами.

Электроны проводимости являются возбуждёнными состояниями в полупроводнике. В собственном полупроводнике они возникают в паре с дырками, в этом смысле в собственном полупроводнике всегда есть две зоны проводимости — в одной свободных состояний много, и заряд переносится электронами, а в другой много занятых состояний и удобнее говорить о дырочной проводимости. В полупроводниках n-типа (или p-типа) электроны переходят в зону проводимости с локализованных на примесях состояний (или наоборот, уходят на не занятые состояния на примесях, оставляя дырки), и там зона проводимости будет одна, поскольку состояния на примесях не образуют зоны из-за хаотичного расположения примесей, а диффузная проводимость посредством «прыжков» электронов между примесными состояниями как правило мала.

Важными характеристиками электрона проводимости является его эффективная масса, подвижность, коэффициент диффузии.

Электроны проводимости являются одним из типов носителей заряда в проводниках и полупроводниках и вносят большой вклад в их электропроводность или теплопроводность: как уже было замечено, при нагревании изменить свою энергию могут только электроны проводимости, поскольку только у них рядом есть доступные не занятые состояния.

• Валентные электроны
• Поляроны

• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. М.: Мир, 1979.
• Каганов М. И., Эдельман В. С. Электроны проводимости. — Наука, 1985. — 415 с.