48. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, диэлектрики, полупроводники

В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики. Современная физика различает еще два промежуточных состояния — полупроводники и полуметаллы.

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 значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях. Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.

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).

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.

Полупроводники – в широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов. Полупроводники преобразуют ток. К ним относятся: германий, кремний и тд. Отличается от проводников характером зависимости электропроводности от температуры. Удельное сопротивление с увеличением t0 не растет как у металлов, а наоборот резко уменьшается. При низких t0 полупроводник ведет себя как диэлектрик. Проводимость полупроводников, обусловлена наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью d=d0, где d0 - постоянный коэффициент, соот. электропроводности при T стремящемся к бесконечности. Диэлектрики – тела в которых практически отсутствуют свободные заряды (стекло, пластмасса). В диэлектриках нет свободных зарядов. Полярные диэлектрики состоят из диполей, которые в отсутствие электрического поля расположены хаотично, и суммарное электрическое поле в диэлектриках равно нулю. Диполь представляет собой совокупность равных по модулю и разноименных зарядов, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Независимо от природы диэлектрика напряженность внешнего поля в нем всегда ослаблена в e раз: e=Ео/Е. Относительная диэлектрическая проницаемость e показывает, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрики меньше, чем в вакууме.

Металлы. В узлах кристаллической решетки располагаются + ионы металла. В металлах между положительными ионами хаотически, подобно молекулам газа, движутся свободные электроны, наличие которых обеспечивает хорошую электропроводность металлов. Если внутри металла нет электрического поля, то движение электронов хаотично, и в каждый момент скорости различных электронов имеют разную величину и направление.