Металлы, полупроводники и диэлектрики

В физике материалов ключевым понятием является распределение электронов в кристаллической решётке и их энергия. Оно определяет свойства материала — проводимость, оптические характеристики, термодинамическое поведение.

Энергетические зоны:

  • Зона Валентная (Valence Band) — энергетический уровень, полностью или частично заполненный электронами при низких температурах.
  • Зона Проведения (Conduction Band) — уровень энергии, куда электроны могут переходить при поглощении энергии.
  • Запрещённая зона (Band Gap) — энергетический промежуток между валентной и зоной проведения, критически определяющий тип материала.

Ключевой принцип: электрон, находящийся в запрещённой зоне, не может участвовать в проводимости. Размер этой зоны различает металлы, полупроводники и диэлектрики.

Металлы

Металлы характеризуются высокой проводимостью и специфической электронной структурой.

  • Электронная структура: валентная зона частично заполнена или зона проведения перекрыта с валентной, что позволяет электронам свободно перемещаться.
  • Проводимость: обусловлена наличием свободных электронов, называемых электронами Ферми.
  • Температурная зависимость: с ростом температуры проводимость металлов обычно уменьшается из-за усиления рассеяния электронов на фононах.

Кристаллическая структура металлов: Металлы чаще всего образуют плотные упаковки атомов: кубическая гранецентрированная (FCC), кубическая объемоцентрированная (BCC) или гексагональная плотноупакованная (HCP). Это обеспечивает высокую механическую прочность и плотность.

Связь и свойства: Металлическая связь характеризуется «электронным газом», свободно движущимся между положительно заряженными ионами. Именно она обеспечивает теплопроводность, пластичность и характерный металлический блеск.

Полупроводники

Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Их поведение определяется шириной запрещённой зоны Eg (обычно 0.1–3 эВ).

Типы полупроводников:

  • Чистые (Intrinsic): проводимость обусловлена лишь термально возбуждёнными электронами из валентной зоны в зону проведения.

  • Легированные (Extrinsic): добавление доноров или акцепторов позволяет существенно изменить концентрацию носителей тока:

    • n-тип: добавлены атомы с избытком электронов → основными носителями являются электроны.
    • p-тип: добавлены атомы с нехваткой электронов → основными носителями являются дырки.

Температурная зависимость: Проводимость полупроводников возрастает с температурой, так как увеличивается число термально возбуждённых носителей.

Энергетическая диаграмма: Полупроводники имеют полностью заполненную валентную зону и пустую зону проведения при абсолютном нуле. При нагреве часть электронов переходит в зону проведения, оставляя дырки в валентной зоне.

Физические эффекты в полупроводниках:

  • Эффект Холла — измерение типа носителей и их концентрации.
  • Пьезо- и фотопроводимость — изменение проводимости под действием механического давления или света.
  • Полупроводниковые диоды и транзисторы — ключевые устройства для управления током.

Диэлектрики

Диэлектрики обладают высокой сопротивляемостью и малой концентрацией свободных носителей. Их запрещённая зона обычно больше 4–6 эВ, что делает термальное возбуждение электронов крайне маловероятным при комнатной температуре.

Типы диэлектриков:

  • Полярные: молекулы имеют дипольный момент (например, вода, NaCl), способны ориентироваться в электрическом поле.
  • Неполярные: молекулы без постоянного диполя (например, He, Ne), поляризация возникает только за счёт смещения электронных облаков.

Механизмы поляризации:

  • Электронная: смещение электронного облака относительно ядра.
  • Ионная: смещение положительных и отрицательных ионов в кристалле.
  • Ориентационная (для полярных молекул): ориентация диполей в электрическом поле.
  • Обратимая и необратимая поляризация: диэлектрики могут показывать остаточную поляризацию (ферроэлектрики) или полностью возвращаться к исходному состоянию.

Электрическая проницаемость и диэлектрическая прочность:

  • Электрическая проницаемость ε характеризует способность материала к поляризации.
  • Диэлектрическая прочность — максимальное напряжение, которое материал может выдержать без разрушения.

Сравнительные характеристики

Свойство Металлы Полупроводники Диэлектрики
Ширина запрещённой зоны Eg 0 0.1–3 эВ >4–6 эВ
Концентрация носителей Очень высокая Средняя (температурно-зависимая) Очень низкая
Проводимость Высокая, уменьшается с T Средняя, растёт с T Низкая
Основные носители Электроны Электроны и дырки Практически отсутствуют
Тип связи Металлическая Ковалентная, с возможной легировкой Ковалентная или ионная

Эти различия определяют применение материалов: металлы — проводники, полупроводники — активные элементы электроники, диэлектрики — изоляция и конденсаторы.

Оглавление