Проводники, полупроводники и диэлектрики

Все вещества, существующие в природе, принято делить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Данные группы веществ имеют разную зонную структуру и обладают разным электрическим сопротивлением. При рассмотрении зонной структуры веществ выделяют три основные зоны, играющие роль в создании электропроводности веществ.

Электроны располагаются по разным энергетическим уровням, которые объединяются в зоны. В соответствии с зонной теорией твёрдого тела электроны внешней оболочки атома заполняют энергетические уровни, составляющие валентную зону. Более низкие энергетические уровни составляют другие зоны, которые не играют роли в явлениях электропроводности.

Металлы и полупроводники обладают большим количеством электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Высокая электропроводность металлов обеспечивается электронами проводимости. Эти электроны совершают беспорядочное движение внутри вещества, переходя от одних атомов к другим.

Третья зона располагается между зоной проводимости и валентной зоной. Это запрещённая зона, которую составляют уровни энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещённой зоны - разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон – вольт (энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов в один вольт).

Понятно, что проводящие свойства вещества зависят от ширины запрещенной зоны. Чем шире запрещённая зона, тем меньше количество электронов, которые смогут проникнуть из валентной зоны в зону проводимости, тем меньше проводимость кристалла.

Рассмотрение зонных энергетических диаграмм наглядно показывает проводящие свойства вех веществ (рис.1).

а) б) в)

Рис. 1. Зонные энергетические диаграммы различных веществ: а)проводник б)полупроводник в) диэлектрик. 1 – валентная зона, 2 –зона проводимости, 3 – запрещённая зона.

Проводники. Валентная зона и зона проводимости у проводников не разделены, электроны свободно переходят из валентной зоны в зону проводимости и приобретают упорядоченную скорость под воздействием внешнего приложенного напряжения (в проводнике протекает электрический ток). Удельное электрическое сопротивление проводников Ом м. При увеличении температуры сопротивление проводника увеличивается.

Полупроводники. Валентная зона и зона проводимости разделены узкой запрещённой зоной . У полупроводников проводимость определяется количеством электронов, преодолевших запрещённую зону и проникших в зону проводимости. Удельное электрическое сопротивление полупроводников Ом∙м. Сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением температуры. При низких температурах полупроводники являются диэлектриками.

Диэлектрики. Валентная зона и зона проводимости разделены широкой запрещённой зоной ∆W=6 эВ. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков Ом∙м. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется небольшое количество электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. При нагревании электроны из валентной зоны получают добавочную энергию и переходят в зону проводимости. Диэлектрик при этом приобретает заметную проводимость.