Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Проводник, диэлектрик и полупроводник

Некоторые материалы, например металлы, являются проводящими, в то время как другие, диэлектрики, электрический ток не проводят (или проводят очень плохо). Рассмотрим, чем они отличаются с точки зрения зонной структуры.

В металле зона проводимости заполнена частично. Если приложить к концам металлической проволоки разность потенциалов ΔU, то ситуация становится неравновесной: уровни энергии смещаются на значение ΔU/e, а электроны устремляются туда, где энергия оказывается ниже… подобно тому, как дети скатываются с ледяной горки вниз! Таким образом, возникает ток, который течет против направления поля (заряд – e электрона отрицателен).

Тот факт, что вклад в электрический ток вносят лишь электроны, находящиеся в зоне проводимости, кажется несколько неожиданным. Попробуем понять, почему это так. Для протекания тока необходимо, чтобы электронов, движущихся в одном направлении, было больше, чем движущихся в противоположном. Однако симметрия требует, чтобы в отсутствие приложенного поля состояний с положительной скоростью было столько же, сколько и с отрицательной. Поэтому для возникновения тока необходимо, чтобы наложение электрического поля эту симметрию нарушило и занятых электронами состояний, соответствующих положительной скорости, оказалось больше, чем занятых состояний со скоростью отрицательной. В валентной же зоне все состояния уже заняты, по одному электрону в каждом (в соответствии с принципом запрета Паули (см. главу 24, «Изотопический эффект и роль кристаллической решетки»)). Поэтому здесь даже наложением электрического поля симметрию нарушить не удается, и средняя скорость электронов обязательно равна нулю. Таким образом, принадлежащие валентной зоне электроны в переносе заряда не участвуют и в ток вклада не вносят.

В диэлектрике щель между валентной зоной и зоной проводимости велика. В результате последняя остается практически пустой и вещество электрический ток не проводит, по крайней мере при низких температурах.

Существует и промежуточная категория веществ, находящихся между диэлектриком и проводником. Это полупроводники, которые в середине прошлого века коренным образом изменили нашу повседневную жизнь. Полупроводник – это диэлектрик, в котором валентная зона и зона проводимости разделены щелью достаточно узкой, чтобы электроны могли ее преодолевать под воздействием температуры. При нормальной температуре около 300 K электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, которая, следовательно, уже не пуста. Таким образом, проводимость, отсутствующая в таких веществах при абсолютном нуле температур, становится заметной при возрастании температуры до комнатной.