Проводники проводят ток, диэлектрики не проводят, полупроводники — вообще что-то среднее, но почему резина решает, что не будет проводить ток, а медь охотно этим занимается?
Как мы помним, твердые материалы имеют некоторую зонную структуру. Из нее следует, что в материале не могут двигаться электроны с определенной энергией, то есть существует некая запрещенная зона. На самом деле таких зон несколько (и они чередуются периодически), но всем важна только одна. Именно она отделяет зону, на которой электроны есть, от той, на которой электронов нет совсем. "Зона" звучит как нечто вполне протяженное, но на самом деле никто не отменял квантование энергии электронов. Внутри любая зона состоит из определенных энергетических уровней.
В твердом теле мы имеем толпу постоянно хаотически движущихся и сталкивающихся электронов. Чтобы заставить ее двигаться в нужном нам направлении, нужно объявить скидку наложить электрическое поле. Оно ускорит те электроны, которые волей случая собрались туда, куда нам нужно, и замедлит все остальные. На этом моменте школьный учитель выглядывает из-за угла и шепчет "Е равно эм ве в квадрате пополам". Ускорение и замедление напрямую связано с изменением энергии, то есть переходом на новые электронные уровни. Здесь напоминает о себе принцип Паули, который голосом учителя химии утверждает, что на каждом энергетическом уровне может быть только два электрона. Соответственно, энергию никак не повысить, если над тобой нет места. Электроны весело поднимаются по шкале энергии, пока не упрутся в запрещенную зону. Предположим, иметь энергию в 1 эВ можно, а вот 1,5 эВ уже нельзя. И 2 эВ нельзя. И 3 эВ нельзя. Можно 4 эВ, но пока самый энергетичный электрон накопит эту порцию, остальные должны терпеливо ждать на нижних уровнях.
Нижняя зона, на которой есть электроны, называется валентной зоной, а вторая, полная свободных мест для них, зоной проводимости. Как логично следует из названия, для возникновения явления проводимости электронам необходимо попасть в зону проводимости. Здесь стоит отметить, что описывая свободу/занятость зон, имеют в виду температуру 0 Кевинов Кельвин (или -273 °C). Это так называемый абсолютный ноль и, на самом деле, это полная абстракция: практически достичь такой температуры пока не смогли. При 0 К у электронов не может быть никакой тепловой энергии.
Теперь время классификации. У проводников валентная зона заполнена не полностью, а зона проводимости примыкает к ней или даже пересекается — достаточно наложить электрическое поле, и носители свободно пойдут, куда нужно. У диэлектриков и полупроводников запрещенная зона есть, но и температура у нас обычно повыше, чем 0 К. Обладая тепловой энергией, электроны принимаются хаотически двигаться и сталкиваться, передавая ее друг другу. В результате некоторые из них получают достаточно мотивации энергии для преодоления запрещенной зоны. Чему примерно равна энергия электрона? Посмотрим:
Эти расчеты нужны для того, чтобы яснее понять разницу между полупроводниками и диэлектриками. Ее нет. Она крайне условна. Считается, что если запрещенная зона меньше 3 эВ, то электрон вполе способен ее преодолеть с некоторой помощью, и перед нами полупроводник. Если запрещенная зона шире — это диэлектрик, ддесь ничего не поможет. Значение "3 эВ" является очередной условностью, это никакая не граница раздела, принципиально меняющая свойства материала. Учтем также, что ширина запрещенной зоны не всегда одинакова, так как определяется строением решетки, а оно изменяется как минимум с температурой.
Напоследок стоит отметить, что никаких полупроводников и диэлектриков, может, и нет. Сейчас говорят, что само понятие "диэлектрик" теряет свое значение, поскольку проводящими начинают делать материалы с неприлично большой запрещенной зоной. Все это возможно благодаря развитию изучения полупроводников, которые заслуживают много-много внимания.
