6. Химиялық байланыстың түрлері қатты материалдардың электрлік қасиеттеріне қалай әсер етеді?

Все материалы в той или иной степени проводят электрический ток, т.е имеют электропроводность. По этому признаку материалы подразделяются на проводники, полупроводники, диэлектрики.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т  0 К,   0, в то же время у неметаллов, т.е. у полупроводников и диэлектриков при Т  0 К,   .

Все вещества по электрофизическим свойствам (удельному электросопротивлению ρ) могут быть разделены на 3 больших класса:

металлы: ρ = (10^-6 – 10^-4) ом/см,

полупроводники: ρ = (10^-4 – 10¹⁰) ом/см,

диэлектрики: ρ > 10¹⁰ ом/см.

Эти интервалы условны, так как под влиянием разных факторов граничные значения ρ могут перекрываться. Удельная электропроводность полупроводников является промежуточной между σ металлов и диэлектриков.

Способность и возможность материала проводить электрический ток главным образом обусловлена: типом химической связи, шириной запрещенной зоны, видом свободных носителей заряда, их концентрацией и подвижностью.

Основными параметрами, характеризующими электрические свойства, являются: удельная электропроводимость γ (Ом^-1*м^-1); удельное электросопротивление ρ (Ом*м); температурный коэффициент удельного электросопротивления α_ρ (К^-1).

Удельная электропроводность γ связывает плотность тока ј (А/м²) и напряженность электрического поля Е (В/м), вызывающего этот ток, соотношением

ј = γЕ (1.1)

(дифференциальная форма закона Ома).

Удельное электросопротивление – величина, обратная удельной электропроводности:

(1.2)

где γ – удельная электропроводность, [γ] = [См/м], (См – Сименс).

Плотность тока j связана с зарядом е носителей тока, их числом n и напряженностью поля соотношением:

j = еnμЕ (1.3)

где μ – подвижность носителей заряда, численно равная скорости дрейфа заряженных частиц в направлении поля напряженностью в 1В/см, [Е]= [1 В/см]), [μ] – [см² / (В*с)]. Подвижность носителей заряда зависит от типа химической связи, температуры и структурных несовершенств и колеблется для разных веществ в пределах от 10 до 10⁵ [см² / (В*с)].

Структурная чувствительность электропроводности вызвана влиянием структурных несовершенств на подвижность носителей заряда. При наличии в материале носителей заряда разного рода (электронов, дырок, ионов) электропроводность определяется выражением:

γ = Σ en_iµ_i (1.4)

из которого следует, что вклад в электропроводность носителей заряда данного типа зависит от их концентрации и подвижности.

Подвижность носителей заряда равна:

µ= = (1.5)

где m^* – эффективная масса носителя; l – длина его свободного пробега; v – тепловая скорость движения носителя заряда; τ – время свободного пробега или релаксации.

Тогда

(1.6)

то есть электропроводность пропорциональна концентрации носителей заряда, их подвижности, длине свободного пробега и обратно пропорциональна их эффективной массе. Длина свободного пробега электрона находится в пределах 10^-6 < l_см< 10^-5 и тем меньше, чем сильнее нарушения периодического потенциала поля ионного остова кристалла, вызванного тепловыми колебаниями атомов (динамическими искажениями) или неупорядоченными атомными смещениями, вызванными растворением инородных атомов с атомным радиусом, отличающимся от матричного (статическими искажениями).