Таким образом, электрон в индивидуальном атоме может обладать не любыми, а лишь некоторыми значениями энергии. В таких случаях говорят: энергетический спектр у него дискретный (прерывистый). Напротив, свободный электрон, оторвавшийся от атома, может двигаться с любой энергией. Его энергетический спектр сплошной, без разрывов. Ну, а в кристалле?
При застройке атомов ярус к ярусу энергетические уровни-ступеньки расщепляются на подуровни — точь-в-точь как при образовании молекулы H2 из двух атомов водорода. Разве что там появилось два подуровня, а здесь, в кристалле, в этом огромном семействе атомов, их мириады.
Ведь на одном подуровне не может ужиться больше двух электронов. (Да и то оба соседа мирно сосуществуют лишь при условии, что спины у них антипараллельны.) Вот почему электроны соседних узлов кристаллической решетки вынуждены расселяться по разным ступенькам. Что ж, благодаря расщеплению уровней места хватит всем — и отдельным электронам и парочкам. Даже останется лишняя «жилплощадь».
Но вот что интересно: когда происходит расщепление, подуровни так близко располагаются друг к другу, что практически сливаются в одну сплошную широкую полосу — зону. Прежней дискретности энергетического спектра, свойственной индивидуальному атому, как не бывало. И электроны в кристалле обретают куда большую свободу передвижения, чем внутри атома, хотя и не в такой степени, как вольноотпущенники, полностью покинувшие атом.
Правда, речь идет главным образом о наружных валентных электронах. Ибо только они обобществлены между всеми атомами кристалла. Коллективизация не затрагивает электроны, запрятанные во внутренних ярусах. Там расщепления почти не происходит. Зато самая удаленная от ядра зона размыта сильнее всех.
А теперь давайте поставим мысленный эксперимент. Перед нами кристалл. Мы не знаем пока, проводник это или полупроводник. Пусть он охлажден до абсолютного нуля. В таком состоянии валентные электроны займут самые нижние подуровни. Начнем подогревать кристалл. Тут-то он себя и выдаст!
Если это проводник, достаточно самой малой порции энергии, чтобы электрон перешел в иное квантовое состояние. Например, перепрыгнул на одну из верхних незанятых ступенек. Вернее — даже перешагнул: незанятые ступеньки-то рядом! Ибо у проводника зона, как правило, не заполнена (вспомните железо!).
Иное дело полупроводник. У него валентная зона полностью укомплектована. А ближайший незанятый подуровень отделен от нее широкой полосой запрещенной зоны. Чтобы преодолеть ее, электронам требуется весьма энергичный шлепок. И до тех пор пока ни один из них не будет выдворен из валентной зоны, ни о какой проводимости не может быть и речи. Ведь электрический ток — это перемещение электронов. А оно связано с переменой квантовых состояний. Между тем у полупроводника в забитой до отказа валентной зоне электронам не дано изменять ни одно из своих квантовых чисел: все ступеньки заняты. И, только перескочив через запрещенную зону в зону проводимости, беглецы обретают свободу передвижения. Зато в частично заполненной зоне, которой обладают металлы, созданы все условия для хорошей проводимости.
Следите внимательней: то же самое происходит и в молекулах с сопряженными связями. В конце концов кристалл — это одна огромная молекула!
Для многоатомных коллективов — кристаллов и молекул — принцип Паули также сохраняет силу.
Понятно теперь, почему у полупроводников количество электронов в зоне проводимости намного меньше, чем у проводников. Но этот «недостаток» оборачивается стократным преимуществом. В проводнике почти все электроны свободны. Их очень много. Поэтому внешнее воздействие мало сказывается на электронном состоянии того же железа. Между тем полупроводники болезненно чувствительны к свету и теплу. Вышло солнце из-за облаков, поднялся столбик ртути в термометре — малейшее усиление квантовой бомбардировки резко увеличивает число прыгунов через «запретную зону». Конечно, и проводники не безразличны к изменениям в окружающей среде. Известно, что сопротивление металлов зависит от температуры. Однако с ее повышением металл проводит ток все хуже и хуже. Электронам-конькобежцам все больше мешают тепловые колебания атомов в узлах кристаллической решетки. Они превращают скольжение между узлами решетки в бег с препятствиями. Правда, нагревание полупроводника тоже увеличивает противодействие току. И все же куда быстрее растет число «конькобежцев». В результате электропроводность возрастает. Нередко в тысячи и даже миллионы раз. А сопротивление при нагревании на один градус увеличивается лишь на доли процента.