При каких условиях электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости?

Валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной. У разных веществ переход электронов с В. З. в З. П. разный. Для понятия этого нужно рассмотреть понятия энергии и поверхности Ферми.
Энергия Ферми - максимальная энергия электронов (в данном случае - именно их) при температуре в 0 К. Фактически, таким образом, она характеризует валентную зону. Энергия Ферми растет с количеством фермионов в системе и, соответственно, уменьшается при уменьшении их числа (1). Это связано с принципом Паули и обменным взаимодействием электронов.
Поверхность Ферми - поверхность постоянной энергии, равной энергии Ферми. Поверхность Ферми отделяет валентную зону от зоны проводимости при абсолютном нуле температур. Она может находиться либо в В. З. (как у металлов) , либо в З. З. (как у полупроводников) . Соответственно, поверхность Ферми может соответствовать либо переходу между орбиталями различных атомов (в случае с кристаллами металлов) , либо переходу между оболочками (полупроводники и изоляторы) .
При повышении температуры электроны могут приобрести энергию, большую, чем энергия Ферми, и перейти через поверхность Ферми. В таком случае, они становятся квазисвободными.

У металлов В. З. перекрывается с З. П. в результате наличия частично заполненных орбиталей. Следствие этого - при перекрытии волновых функций (орбиталей) количество свободных квантовых состояний для электрона увеличивается, и образуется широкая энергетическая зона с разрешенными значениями. При ненулевой температуре электроны преодолевают поверхность Ферми и переходят в такую зону, причем без покидания валентной зоны (формально, они постоянно находятся на орбиталях, хоть и могут перемещаться к различным атомам металлов) .

У полупроводников В. З. находится от З. П. на энергетическом расстоянии в 0,1-4 эВ. Это значит, что у полупроводников есть либо полностью свободные, либо полностью пустые зоны (например, электронные оболочки) , разделенные запрещенными участками. В результате, для перехода в З. П. электрон должен получить большое количество энергии. И поверхность Ферми в полупроводниках находится в пределах запрещенной зоны. Она (поверхность Ферми) может быть выше или ниже средины запрещенной зоны (см. (1)) при ненулевой температуре. Если тип полупроводника - n, то она находится выше средины: в таком типе в валентной зоне уже наличествует некоторое количество свободных электронов. Если тип полупроводника - p, то поверхность Ферми находится ниже средины.

У изоляторов же из-за интенсивного электростатического взаимодействия электронов с ядром наблюдается очень большая электроотрицательность, и потому валентная зона отделена от зоны проводимости очень большим энергетическим расстоянием более 4 эВ.

В результате написанного, видно, что основным общим условием перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости есть превалирование энергии электронов над энергией Ферми.

Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц — положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле — это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях. Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.
В атоме эти уровни расположены довольно далеко один от другого — принято говорить, что уровни образуют дискретный энергетический спектр (рис. 1). При определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой, разрешенный, уровень. Электрон с данной энергией может двигаться только по замкнутой траектории — орбите — вокруг ядра [1].

Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла. Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются валентными электронами.
Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами) . Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.

Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами. Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными. Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.