Электрические свойства материалов

Электрические свойства материалов. Классификации материалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.

Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Под воздействием притяжения положительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с ми­нимальным значением энергии. В результате нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уров­ни - свободными. Схематическое изображение энергетической диа­граммы изолированного атома приведено на рис. 1.14,а. Электрон в атоме может перейти с одного энергетического уровня W1 на дру­гой энергетический уровень W₂,но только «скачком» и только на свободный уровень. Для этого электрону необходимо сообщить до­полнительную порцию или квант энергии ∆W=W₂–W1.

Если электрон перемещается под действий электрического по­ля, т. е. проходит электрический ток, то при этом изменяется энер­гия W электрона. На энергетической диаграмме это отразится в перемещении электрона на близлежащие свободные энергетиче­ские уровни. Если таких уровней нет, то электрон не сможет изме­нить свою энергию, т. е. не сможет принять участие в создании электропроводности.

При образовании кристаллической решетки из N атомов элек­троны, находящиеся на внешних валентных оболочках отдельных атомов, сближаются- настолько, что па одном энергетическом уровне должно было бы оказаться более двух электронов. Но этого не про­исходит, и принцип Паули не нарушается вследствие того, что от­дельные энергетические уровни расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны (рис. 1.14,б).

При­чем расщепляются как за­полненные, так и свобод­ные энергетические уров­ни. При этом образуется соответственно заполнен­ная электронами валент­ная зона и свободная зона проводимости. На рис. 1.14, б верхний уро­вень или «потолок» ва­лентной зоны обозначен W_v, а нижний уровень, или «дно» зоны проводи­мости, обозначен W_c.

Рис. 1.14 Схематическое изображение энергетических уровней: а – изолированного атома, б – твердого тела

Рис. 1.15 Энергетические диаграммы при температуре, близкой к абсолютному нулю: а – проводников, б – полупроводников, в - диэлектриков

Энергетическую щель между валентной зо­ной и зоной проводимости называют запрещенной зоной ∆W.

Если величина ∆Wравна или близка к нулю (рис. 1.15,а), то вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы.

Если величина запрещенной зоны вещества превышает несколь­ко электронвольт (1эВ — энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1B), то для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости придется затратить значительную энергию, способную разрушить структуру вещества. Такие вещества называ­ют диэлектриками (рис. 1.15,в). Они имеют высокое удель­ное сопротивление и используются, например, в качестве электро­изоляционных материалов.

Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают полупроводники (рис. 1.15,б). К ним относят вещества, у которых ∆W=0,1–3эВ (кремний, германий и др.). В полупроводниках можно довольно легко за счет внешней энергии перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости, управляя величиной проводимости.