3.3. Электрические свойства.

3.3.1. Проводники, полупроводники и диэлектрики.

В зависимости от отношения к электрическому полю все материалы можно разделить на 3 вида: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Полупроводниковыми материалами называют те, электропроводность которых в сильной степени зависит от вида и количества примесей и от внешних воздействий: температуры, освещённости и т.п.

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Электростатическое поле в диэлектриках вызывается их поляризацией, а существование поля обусловлено чрезвычайно малой проводимостью (чрезвычайно большим электрическим сопротивлением ).

Удельное сопротивление проводников менее 10^-5 Ом^. м, полупроводников - 10^-6  10⁺⁹ Ом^. м, диэлектриков – более 10⁷ Ом^. м. Эти различия вызваны несколькими причинами и в рамках различных теорий объясняются различным образом. Так, в металлах, являющихся проводниковыми материалами с электронной проводимостью (их ещё называют проводниками первого рода в отличие от проводников второго рода – электролитов), атомы связаны металлической связью, характеризующейся наличием делокализованных валентных электронов. В диэлектриках, напротив, практически все валентные электроны связаны ковалентными связями и электрическое поле не приводит к переносу электронов, но вызывает некоторое смещение – электронную поляризацию. В полупроводниках преобладает ковалентная связь.

С точки зрения квантовых представлений различия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками объясняются зонной теорией твёрдого тела.

Согласно этой теории, в конденсированном состоянии, т.е. в жидком и твёрдом, энергетические уровни атомов смещаются, образуя зоны энергетических уровней. Между зонами энергетических уровней могут остаться зоны запрещённых значений энергии

Для объяснения электропроводности, теплопроводности, оптических и ряда других свойств главное значение имеют внешняя энергетическая зона, содержащая электроны, определяющие валентные состояния атомов – так называемая валентная зона и следующая за ней разрешённая, но не заполненная электронами энергетическая зона.

Электроны, находящиеся в валентной зоне, не являются свободными и не могут принимать участия в переносе зарядов. Но они могут стать свободными, если их энергетическое состояние будет соответствовать следующей разрешённой зоне энергий, называемой свободной зоной или зоной проводимости. Для этого им необходимо преодолеть зону запрещённых значений энергии – запрещённую зону.

Можно представить 2 варианта зонной структуры: 1) валентная и свободная зоны не перекрываются, а разделены запрещённой зоной; 2) валентная и свободная зоны перекрываются или соприкасаются без перекрытия. Разберём эти варианты.

Если валентная и свободная зоны перекрываются или различия между ними несущественны, электроны из валентной зоны могут легко менять энергию, переходя в свободную зону – зону проводимости. Такие материалы будут обладать электропроводностью даже при отсутствии внешних энергетических воздействий, даже при Т = 0 ⁰К.

Если валентная и свободная зоны разделены запрещённой зоной энергий, то электропроводность будет зависеть от ширины запрещённой зоны и её соотношения с обычно встречающимися значениями энергии

Тепловая энергия кТ при 300 ⁰К равна приблизительно 0,03 эВ. Электрон-Вольт (эВ) – это единица измерения энергии в атомной физике. 1эВ – это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 В. 1эВ = 1,6 ^. 10^-19 Дж. Энергия видимого света h равна приблизительно 3 эВ. Если ширина запрещённой зоны Е больше тепловой энергии кТ, но меньше энергии видимого света, то такие материалы будут полупроводниками. Таким образом, к полупроводникам условно относят вещества с шириной запрещённой зоны Е = 0,05 – 3 эВ, а к диэлектрикам – с Е  3 эВ.

Проводники отличаются от полупроводников и диэлектриков качественно – в проводниках отсутствует запрещённая зона. Полупроводники и диэлектрики отличаются друг от друга количественно – шириной запрещённой зоны. Поэтому многие свойства полупроводников и диэлектриков подобны. Например, с ростом температуры проводимость и тех и других возрастает, температурный коэффициент сопротивления ТК у них отрицательный. В металлических проводниках, напротив, с ростом температуры проводимость падает, ТК положительный.

Вместе с тем, количественные различия в ширине запрещённой зоны и, соответственно, в величине проводимости приводит к существенным различиям в оптических, магнитных и электрических свойствах полупроводников и диэлектриков.

В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и обладают почти металлическим блеском. Это вызвано тем, что световые кванты с энергией около 3 эВ переводят электроны полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. Эти свободные электроны, как и в металлах, отражают свет.

В диэлектриках такое отражение возможно при значительно большей энергии световых квантов – в ультрафиолетовой области.

В инфракрасной области, наоборот, полупроводники, в отличие от диэлектриков, прозрачны, т.к. энергии квантов этой частоты недостаточно для возбуждения свободных электронов.

То же относится и к тепловой энергии. При Т = 0 ^ОК полупроводники не имеют электронов в зоне проводимости и являются диэлектриками. В свою очередь, диэлектрики при высокой температуре могут проявлять свойства полупроводников и даже проводников.

Таким образом, правильнее следует не разделять вещества на диэлектрики, полупроводники и проводники, а различать диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые свойства материалов.