«Идеи могут быть обезврежены только идеями»

О. Бальзак

Тема 7. Электрические свойства тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Важность изучения электрических свойств материалов обусловлена непрерывно возрастающей ролью электричества как формы энергии в передовых областях техники – энергетики, информатики, средств связи, автоматизированного управления, вычислительной техники и др.

Электрические свойства любого материала зависят от того, как электроны составляющих его атомов распределяются по орбитальным уровням при формировании кристаллических решеток твердых тел. Понять природу и объяснить важнейшие электрические свойства твердых материалов позволяет т.н. зонная теория.

Согласно постулатам Борав изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные (конечные) значения (говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).

В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя т. н. молекулярные орбитали.

При дальнейшем увеличении системы вплоть до образования твердого тела (количество атомов более 10²⁰), количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой и энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов – энергетических зон.

Энергетическая зона, содержащая энергии электрона, находящегося ближе к ядру атома, называется валентной (заполненной) зоной, дальше от ядра – зоной проводимости (свободной зоной). Расстояние между валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной, ширина которой и определяет способность веществ проводить электрический ток.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы:

– проводники – валентная зона заполнена частично (рис. 54, а) либо зона проводимости и валентная зона перекрываются (рис. 54, б), поэтому электрон может свободно перемещаться, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

– диэлектрики – зоны не перекрываются (рис. 54, в) и расстояние между ними составляет более 4 эВ. Для того, перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

полупроводники – зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4 эВ (рис. 54, г). Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

Значения ширины запрещенной зоны для некоторых твердых веществ представлены в табл. 9.

Рис. 54. Классификация твердых материалов в зависимости от расположения

энергетических зон: а,б) проводники;в) диэлектрики;г) полупроводники

Таблица 9