4 Проводимость твердых тел. Проводники, полупроводники и диэлектрики

Все тела по электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники - это тела, в которых свободные заряды могут двигаться под действием сколь угодно малого электрического поля. Диэлектриками (изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Однако вещества, называемые диэлектриками, проводят электрический ток в 10¹⁵–10²⁰ хуже, чем вещества, называемые проводниками. Полупроводники обязаны своему названию тому факту, что по величине электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Существование энергетических зон позволяет с единой точки зрения объяснить существование металлов, полупроводников и изоляторов, объясняя различия в их электрических свойствах неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и различной шириной запрещенных зон.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если какой либо уровень в атоме полностью заполнен электронами, то образующаяся из него зона также полностью заполнена. Такая зона, образующаяся из энергетических уровней внутренних электронов, называется валентной. Зона проводимости образуется из энергетических уровней внешних электронов слабо связанных с ядрами ионов и оказывается либо частично заполненной, либо свободной. В зависимости от заполнения зон и ширины запрещенной зоны возможны различные случаи (рисунок 30).

Рисунок 30 - Металлы, полупроводники и изоляторы (диэлектрики)

Для большинства металлов удельное сопротивление линейно возрастает при повышении температуры. В отличие от металлов сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается,

Соответственно проводимость металлов с ростом температуры уменьшается, а проводимость полупроводников быстро увеличивается. Эти закономерности легко объясняются в рамках зонной теории твердых тел. С ростом температуры число носителей заряда в металлах не изменяется, зато увеличивается интенсивность их хаотического теплового движения. В полупроводниках с ростом температуры быстро увеличивается число носителей в зоне проводимости, что приводит к росту проводимости и уменьшению сопротивления.

Контрольные вопросы

1. Опишите строение и свойства кристаллов. Как классифицируются кристаллические тела?

2. Чем объясняется различие в физических свойствах графита и алмаза?

3. Дайте определения дефектов в кристаллах. Влияют ли дефекты кристаллической решетки на физические свойства кристаллов?

4. Опишите образование энергетических зон при сближении изолированных атомов. Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

5. Отчего зависят ширина зон в кристалле и расстояние между энергетическими уровнями в зоне?

6. Чем различаются по зонной теории проводники и диэлектрики? диэлектрики и полупроводники?

7. Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

8. Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

9. Как объяснить уменьшение проводимости металлов с повышением температуры?

10. Запишите стационарное уравнение Шредингера для электрона в кристалле.

Лекция № 18 Элементы физики элементарных частиц

1 Основные типы физических взаимодействий в природе