Металлы, полупроводники и диэлектрики

Металлическая проводимость и структура металлов

Металлы характеризуются высокой электропроводностью, пластичностью и металлическим блеском, что обусловлено особенностями их химической связи. Основой является металлическая связь, представляющая собой коллективное взаимодействие положительно заряженных ионов металлов с «электронным газом» – делокализованными валентными электронами. Эти электроны свободно перемещаются по кристаллической решётке, обеспечивая:

• Электропроводность за счёт подвижности электронов;
• Теплопроводность, так как перенос энергии осуществляется как электрическими, так и тепловыми колебаниями;
• Пластичность и ковкость, так как слои ионов могут смещаться без разрушения металлической решётки.

Металлические кристаллы обычно имеют высокую координацию (8–12) и образуют плотные упаковки: гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) структуры. Энергия металлической связи зависит от числа валентных электронов и плотности упаковки атомов, что определяет прочность металла и его температурные свойства.

Полупроводники

Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками по электрической проводимости. Основные типы полупроводников:

• Элементные (Si, Ge) – строятся из атомов одного элемента с ковалентной связью;
• Соединения типа III–V (GaAs, InP) – образованы атомами из разных групп, имеют полярную ковалентную связь;
• Соединения типа II–VI (ZnS, CdTe) – обладают ионно-ковалентным характером связи.

Ключевой особенностью полупроводников является наличие запрещённой зоны (зоны проводимости и валентной зоны). Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости под действием тепловой энергии или внешнего излучения.

• Электропроводность чистых полупроводников невелика при комнатной температуре, но увеличивается с нагревом.
• Примесные полупроводники (легированные) формируют донорные или акцепторные уровни, значительно повышающие проводимость.
• Температурная зависимость проводимости выражается законом: [ = _0 (-),] где (E_g) – ширина запрещённой зоны, (k) – постоянная Больцмана, (T) – температура.

Диэлектрики

Диэлектрики (или изоляторы) обладают очень низкой электропроводностью, что связано с сильной локализацией электронов в химических связях. Основные типы диэлектриков:

• Ионные (NaCl, KBr) – электроны закреплены между ионами, высокая прочность кристаллов, склонность к хрупкому разрушению;
• Ковалентные (алмаз, кварц) – электроны строго локализованы, создают жёсткую трёхмерную решётку;
• Полярные органические диэлектрики (полимеры) – молекулы имеют дипольные моменты, способные ориентироваться во внешнем электрическом поле.

Диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью (), которая показывает способность вещества поляризоваться под действием электрического поля. Поляризация может быть:

• Электронной – смещение электронного облака относительно ядра;
• Ионной – смещение ионов в кристалле;
• Ориентационной – выравнивание молекулярных диполей;
• Интерфейсной – накопление зарядов на границе раздела фаз.

Сравнительные свойства металлов, полупроводников и диэлектриков

Электронная структура и энергетические зоны

Электронная структура определяется распределением валентных и свободных электронов. В металлах валентная зона частично заполнена, что обеспечивает свободное движение электронов. В полупроводниках валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста при 0 K; в диэлектриках запрещённая зона широка, что препятствует переносу электронов.

Энергетические характеристики напрямую связаны с химическим строением и типом связи. Металлы имеют частично заполненные зоны, полупроводники – узкую запрещённую зону ((0,1–4) эВ), диэлектрики – широкую ((>4) эВ).

Влияние структуры на свойства

• Плотность упаковки атомов определяет механическую прочность и теплопроводность металлов;
• Примеси и дефекты кристаллов в полупроводниках создают локальные энергетические уровни, влияя на электропроводность;
• Сильная локализация электронов в диэлектриках обеспечивает их изоляционные свойства и высокую диэлектрическую прочность.

Эти закономерности лежат в основе технологий микроэлектроники, электроизоляции, производства термо- и фотопроводниковых материалов, а также выбора материалов для конструкций, подвергающихся механическим и термическим нагрузкам.