Металлы, полупроводники и диэлектрики

Электрические и оптические свойства твёрдых тел в значительной степени определяются особенностями их зонной структуры, зависящей от характера химической связи и пространственной организации атомов. Классификация твёрдых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики основана на различии в ширине запрещённой зоны и положении уровня Ферми.

Металлы

Электронная структура. В металлах валентные зоны перекрываются с зонами проводимости или частично заполнены. Это приводит к наличию большого числа свободных электронов, участвующих в проводимости. Уровень Ферми лежит внутри зоны, что обеспечивает возможность электронов переходить в близлежащие энергетические состояния практически без затрат энергии.

Химическая связь. Металлическая связь характеризуется делокализацией валентных электронов, которые образуют «электронный газ», связывающий положительные ионы решётки. Такой тип связи обуславливает высокую электропроводность и теплопроводность.

Физические свойства.

• Высокая электропроводность, уменьшающаяся с ростом температуры вследствие увеличения рассеяния электронов на фононах.
• Хорошая теплопроводность, связанная с переносом энергии свободными электронами.
• Металлический блеск и высокая отражательная способность видимого света.
• Пластичность и ковкость, объясняемые возможностью смещения атомных слоёв без разрушения металлической связи.

Примеры. Алюминий, медь, серебро, железо.

Полупроводники

Электронная структура. Для полупроводников характерно наличие узкой запрещённой зоны (от 0,1 до 3 эВ). При низких температурах валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста, что делает полупроводник близким по свойствам к диэлектрику. При повышении температуры часть электронов получает энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, формируя электронно-дырочные пары.

Химическая связь. Преобладает ковалентный тип связи. Каждый атом образует несколько направленных связей с соседними атомами, что обеспечивает жёсткость и упорядоченность кристаллической решётки.

Особенности проводимости.

• Электропроводность сильно зависит от температуры: с её ростом концентрация носителей увеличивается экспоненциально.
• Чистые полупроводники (интринзики) проводят ток только за счёт термического возбуждения электронов.
• Легированные полупроводники (экстринзики) содержат донорные или акцепторные примеси, изменяющие концентрацию электронов или дырок и позволяющие управлять свойствами материала.

Примеры. Кремний, германий, арсенид галлия.

Диэлектрики

Электронная структура. Диэлектрики имеют широкую запрещённую зону (более 3–5 эВ). При обычных температурах энергия тепловых колебаний недостаточна для перевода электронов в зону проводимости, поэтому ток через материал практически не проходит.

Химическая связь. В большинстве случаев реализуется ионная или ковалентная связь с сильной локализацией электронов. Это приводит к высокой прочности решётки и низкой подвижности зарядов.

Физические свойства.

• Очень низкая электропроводность.
• Высокая диэлектрическая проницаемость, определяющая способность материала поляризоваться во внешнем электрическом поле.
• Прозрачность для видимого и ультрафиолетового излучения благодаря отсутствию электронных переходов в данном диапазоне энергий.
• Твёрдость и хрупкость, связанные с жёсткой направленностью связей.

Примеры. Оксид алюминия, кварц, фторид кальция.

Сравнительная характеристика

• Металлы: уровень Ферми лежит в зоне проводимости или на границе перекрытия зон; высокая проводимость.
• Полупроводники: узкая запрещённая зона; проводимость зависит от температуры и примесей.
• Диэлектрики: широкая запрещённая зона; практически полное отсутствие проводимости при нормальных условиях.

Таким образом, различие в энергетической структуре определяет все основные электрические, тепловые и оптические свойства указанных классов твёрдых тел, что делает их фундаментальными материалами для химии, физики и технологий.