Электронная проводимость является одним из фундаментальных свойств твёрдых тел, определяющих их применение в электронике, энергетике и материаловедении. Она описывает способность вещества переносить электрический ток за счёт движения электронов или дырок в кристаллической решётке.
В твёрдых телах носители заряда могут быть свободными электронами, находящимися в зонах проводимости, или дырками — квазичастицами, возникающими при отсутствии электрона в валентной зоне. Их движение под действием электрического поля или градиента химического потенциала определяет величину проводимости материала.
Фундаментальным понятием является зонная структура кристалла. Электронные уровни атомов в твёрдом теле не изолированы, а образуют энергетические зоны: валентную и зону проводимости, разделённые зоной запрещённых энергий (зонной щелью). Величина этой щели определяет электрические свойства вещества.
В металлах перенос тока осуществляется большим числом свободных электронов, концентрация которых слабо зависит от температуры. Удельное сопротивление металлов определяется главным образом процессами рассеяния электронов:
Эти особенности объясняют линейную зависимость сопротивления от температуры в широком интервале и наличие остаточного сопротивления при низких температурах.
Для полупроводников характерна экспоненциальная зависимость проводимости от температуры, поскольку число носителей заряда определяется термическим возбуждением электронов через запрещённую зону. При повышении температуры электронно-дырочные пары образуются интенсивнее, увеличивая проводимость.
Существенную роль играет легирование, то есть введение примесных атомов. Примеси донорного типа создают дополнительные электроны в зоне проводимости, а акцепторного — дырки в валентной зоне. Это позволяет управлять электрическими свойствами вещества и создавать материалы с заданным типом проводимости — n- или p-типа.
Особое значение имеет формирование p-n-переходов, где встречаются области с различным типом проводимости. Такие структуры лежат в основе работы диодов, транзисторов и большинства современных электронных приборов.
В диэлектриках ширина запрещённой зоны превышает 4–5 эВ, что делает вероятность термического возбуждения электронов крайне низкой. Проводимость таких материалов практически отсутствует, за исключением очень высоких температур или при наличии сильных внешних полей. Диэлектрики используются в качестве изоляторов, конденсаторных диэлектриков и подложек для полупроводниковых приборов.
Электронная проводимость тесно связана с квантовыми свойствами электронов в твёрдом теле. В низкотемпературной области проявляются эффекты квантовой локализации, сверхпроводимости и туннелирования.
Структурные дефекты кристаллов существенно влияют на проводимость. Точечные дефекты, вакансии, междоузельные атомы и дислокации создают локальные энергетические уровни в запрещённой зоне. Эти уровни могут служить центрами рекомбинации или захвата носителей, изменяя кинетику проводимости.
Легирование и управляемое введение дефектов позволяют регулировать электронные свойства материалов, что составляет основу современной технологии полупроводников.
Зависимость проводимости от температуры и энергии носителей описывается уравнением Больцмана и статистикой Ферми–Дирака. При низких температурах доминируют квантовые эффекты, при средних — примесная проводимость, а при высоких — собственная проводимость, связанная с термическим возбуждением через зонную щель.
Электронная проводимость в твёрдых телах представляет собой многоуровневое явление, определяемое зонной структурой, концентрацией и подвижностью носителей заряда, а также взаимодействием электронов с решёткой и дефектами. Управление этими параметрами лежит в основе создания функциональных материалов для микроэлектроники, энергетики и квантовых технологий.