Металлы и диэлектрики
Общие сведения
Металлы, диэлектрики и полупроводники представляют собой основные классы твердых веществ, различающиеся по своей способности проводить электрический ток. Традиционно высокая электрическая проводимость металлов объяснялась наличием в их структуре так называемого газа свободных электронов, которые легко перемещаются под воздействием внешнего электрического поля. Однако классическая модель свободных электронов оказалась неспособной исчерпывающе объяснить ряд физических явлений, в частности, резкое изменение проводимости твердых тел при варьировании температуры или особенности поведения полупроводников.
В современной физической химии и физике твердого тела различия в электропроводимости объясняются с позиций зонной теории кристаллов. Данная теория опирается на квантово-механические закономерности, в первую очередь на уравнение Шрёдингера, описывающее движение электрона. Согласно зонной теории, при сближении огромного числа атомов и образовании кристаллической решетки происходит перекрывание их электронных орбиталей. В макроскопическом кристалле, содержащем порядка десяти в двадцать третьей степени атомов, образуется колоссальное число молекулярных орбиталей. Разница энергий между соседними орбиталями становится ничтожно малой, составляя величины порядка десяти в минус двадцать второй степени джоуля. В результате дискретные энергетические уровни отдельных атомов сливаются в единые непрерывные энергетические зоны, охватывающие кристалл по всем трем пространственным измерениям.
Классификация
На основе особенностей строения энергетических зон и степени их заполнения электронами все твердые тела классифицируются на металлы (проводники), диэлектрики (изоляторы) и полупроводники.
Металлы характеризуются наличием частично заполненной электронами зоны проводимости. Большое количество свободных энергетических уровней в этой зоне позволяет электронам беспрепятственно перемещаться под действием электрического поля, обеспечивая высокую проводимость. Если зона заполнена электронами полностью, вещество не может проявлять выраженных металлических свойств проводника.
Диэлектрики представляют собой вещества, в которых нижняя энергетическая зона (валентная зона) полностью заполнена электронами, а следующая за ней зона проводимости абсолютно пуста. Между этими зонами располагается широкая запрещенная зона — энергетический барьер, преодолеть который электроны в обычных условиях не могут. К типичным диэлектрикам относятся кристаллы с ионным типом связи (например, хлорид натрия) и молекулярные кристаллы, в которых перекрывание электронных орбиталей ничтожно мало. Кристаллы с направленными ковалентными связями (например, алмаз) также являются диэлектриками, так как для переброса электрона в зону проводимости требуется энергия, превышающая энергию самой химической связи, что привело бы к физическому разрушению кристалла.
Полупроводники занимают промежуточное положение. Подобно диэлектрикам, при абсолютном нуле температур их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста. Однако ширина запрещенной зоны у них сравнительно невелика. При повышении температуры или ином энергетическом воздействии часть электронов получает достаточно энергии для преодоления этого барьера и перехода в зону проводимости, в результате чего вещество начинает проводить электрический ток.
Способы получения
Способы получения материалов с заданными электрофизическими свойствами базируются на направленном изменении их зонной структуры. В естественном виде элементы формируют свои энергетические зоны в зависимости от электронного строения атомов. Внутренние электронные орбитали перекрываются слабо, образуя узкие и полностью заполненные зоны, не участвующие в проводимости. Зоны, ответственные за проводимость, формируются из внешних (валентных) орбиталей, таких как s-, p- и d-орбитали.
Для получения полупроводников с требуемыми характеристиками применяется метод легирования — направленного введения примесей в структуру собственного полупроводника. Собственные полупроводники (чистые кремний, германий, серое олово) обладают электронно-дырочной проводимостью, возникающей при тепловом забросе электронов в пустую зону проводимости, при котором в валентной зоне остаются незаполненные места — «дырки».
Для создания полупроводников примесного типа в кристаллическую решетку вводят атомы других элементов, энергетические уровни которых располагаются внутри запрещенной зоны базового материала. Введение в кристалл германия элементов пятой группы (фосфора, мышьяка, сурьмы) приводит к появлению дополнительных электронов, которые легко переходят в зону проводимости. Такие материалы называются полупроводниками n-типа. Введение элементов третьей группы (бора, алюминия, индия) создает избыток незаполненных электронных состояний в валентной зоне германия, искусственно увеличивая количество «дырок» и формируя полупроводники p-типа.
Свойства
Электрофизические свойства металлов и полупроводников кардинально различаются при изменении термодинамических условий. При приложении к кристаллу внешнего электрического поля происходит изменение относительной энергии орбиталей внутри зоны: одни энергетические уровни понижаются, другие повышаются. Это инициирует направленный перенос электронов на более энергетически выгодные орбитали, что макроскопически фиксируется как протекание электрического тока. Электроны также обеспечивают перенос тепловой энергии от одного конца кристалла к другому, перемещаясь на более высокие энергетические уровни, чем обусловлена высокая теплопроводность металлов.
Зависимость проводимости от температуры является ключевым отличительным свойством данных материалов. У металлов с ростом температуры электрическая проводимость закономерно снижается. Это связано с тем, что тепловое возбуждение заставляет электроны с низкой энергией перескакивать на более высокие уровни, вследствие чего они перестают эффективно участвовать в направленном переносе заряда. Напротив, проводимость полупроводников при нагревании возрастает, так как тепловая энергия способствует массовому переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Среди металлов наилучшими проводящими свойствами обладают элементы побочных подгрупп, такие как медь, серебро и золото, поскольку в их кристаллах имеется множество незанятых энергетических уровней. У элементов главных подгрупп ширина проводящей зоны убывает с ростом порядкового номера, что приводит к снижению проводимости. Переходные d-элементы, за исключением подгрупп меди и цинка (где d-орбитали полностью укомплектованы), обладают сравнительно невысокой проводимостью. Некоторые ионные кристаллы, такие как оксид меди, имеют узкую запрещенную зону и при сильном нагревании способны проявлять полупроводниковые свойства, значительно повышая свою электропроводимость.
Применение
Материалы рассматриваемых классов составляют материальную базу современной электротехники, микроэлектроники и энергетики. Металлы с высокой и стабильной проводимостью, преимущественно медь и алюминий, а также благородные металлы (золото, серебро), массово применяются для изготовления электрических проводов, кабелей, контактов и элементов печатных плат.
Диэлектрики играют критически важную роль в качестве изолирующих материалов. Вещества с ионной и молекулярной кристаллической решеткой, не способные проводить ток ввиду отсутствия свободных носителей заряда и наличия непреодолимой запрещенной зоны, обеспечивают безопасность эксплуатации электрических сетей и предотвращают короткие замыкания. Алмаз, будучи идеальным диэлектриком из-за колоссальной энергии связи и невозможности электронных переходов без разрушения кристалла, находит применение в специализированных высокотемпературных и высоконагруженных приборах в качестве теплоотвода и изолятора.
Полупроводники, в первую очередь легированные кристаллы кремния и германия, являются фундаментом всей вычислительной техники. Способность тонко управлять проводимостью полупроводников путем изменения температуры, освещенности или введения строго дозированных количеств примесей (бора, фосфора, мышьяка) позволяет создавать на их основе диоды, транзисторы, микропроцессоры и солнечные батареи.