«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 Бора в 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.
п
олупроводники –
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.
З
Рис. 54. Классификация твердых материалов в зависимости от расположения
энергетических зон: а, б) проводники; в) диэлектрики; г) полупроводники
начения ширины запрещенной зоны для некоторых твердых веществ представлены в табл. 9.Таблица 9