Półmetalowy - Semimetal
Półmetalu jest materiałem o bardzo małej pokrywania się dolnej części przewodzącego zespołu i w górnej części pasma walencyjnego . Zgodnie z teorią pasm elektronicznych , ciała stałe można sklasyfikować jako izolatory , półprzewodniki , półmetale lub metale . W izolatorach i półprzewodnikach wypełnione pasmo walencyjne jest oddzielone od pustego pasma przewodnictwa pasmem wzbronionym . W przypadku izolatorów amplituda pasma zabronionego jest większa (np. > 4 eV ) niż w przypadku półprzewodnika (np. < 4 eV). Ze względu na niewielkie nakładanie się pasm przewodnictwa i walencyjnego, semimetal nie ma przerwy wzbronionej i znikomą gęstość stanów na poziomie Fermiego . Z kolei metal ma znaczną gęstość stanów na poziomie Fermiego, ponieważ pasmo przewodnictwa jest częściowo wypełnione.
Zależność od temperatury
Stany izolujące/półprzewodzące różnią się od stanów semimetalicznych/metalicznych zależnością temperaturową ich przewodnictwa elektrycznego . W przypadku metalu przewodnictwo maleje wraz ze wzrostem temperatury (ze względu na rosnące oddziaływanie elektronów z fononami (drgania sieci)). W przypadku izolatora lub półprzewodnika (które mają dwa rodzaje nośników ładunku – dziury i elektrony) zarówno ruchliwość nośników, jak i koncentracje nośników będą miały wpływ na przewodnictwo, a te mają różne zależności temperaturowe. Ostatecznie obserwuje się, że przewodność izolatorów i półprzewodników rośnie wraz ze wzrostem temperatury powyżej zera bezwzględnego (w miarę przesuwania się większej liczby elektronów do pasma przewodnictwa), następnie maleje przy temperaturach pośrednich, a następnie ponownie rośnie przy temperaturach jeszcze wyższych. Stan półmetaliczny jest podobny do stanu metalicznego, ale w półmetalach zarówno dziury, jak i elektrony przyczyniają się do przewodzenia elektrycznego. W przypadku niektórych półmetali, takich jak arsen i antymon , występuje niezależna od temperatury gęstość nośnika poniżej temperatury pokojowej (jak w przypadku metali), podczas gdy w przypadku bizmutu dzieje się tak w bardzo niskich temperaturach, ale w wyższych temperaturach gęstość nośnika wzrasta wraz z temperaturą, powodując wzrost przejście półmetal-półprzewodnik. Półmetal różni się również od izolatora lub półprzewodnika tym, że przewodność półmetalu jest zawsze niezerowa, podczas gdy półprzewodnik ma zerową przewodność w zerowej temperaturze, a izolatory mają zerową przewodność nawet w temperaturze otoczenia (ze względu na szerszą przerwę energetyczną).
Klasyfikacja
Aby sklasyfikować półprzewodniki i półmetale, energie ich wypełnionych i pustych pasm muszą być wykreślone w funkcji pędu kryształu elektronów przewodzących. Zgodnie z twierdzeniem Blocha przewodzenie elektronów zależy od okresowości sieci krystalicznej w różnych kierunkach.
W semimetalu dół pasma przewodnictwa jest zwykle usytuowany w innej części przestrzeni pędu (przy innym wektorze k ) niż górna część pasma walencyjnego. Można powiedzieć, że semimetal to półprzewodnik z ujemną pośrednią przerwą energetyczną , chociaż rzadko są one opisywane w tych terminach.
Schematyczny
Schematycznie, rysunek pokazuje
- A) półprzewodnik z bezpośrednią przerwą (np. selenek miedzi i indu (CuInSe 2 ))
- B) półprzewodnik z pośrednią przerwą (jak krzem (Si))
- C) półmetal (jak cyna (Sn) lub grafit i metale ziem alkalicznych ).
Rysunek jest schematyczny, pokazuje tylko pasmo przewodnictwa o najniższej energii i pasmo walencyjne o najwyższej energii w jednym wymiarze przestrzeni pędu (lub przestrzeni k). W typowych bryłach przestrzeń k jest trójwymiarowa i istnieje nieskończona liczba pasm.
W przeciwieństwie do zwykłego metalu , półmetale mają nośniki ładunku obu typów (dziury i elektrony), więc można również argumentować, że powinny być nazywane „podwójnymi metalami”, a nie półmetalami. Jednak nośniki ładunku zwykle występują w znacznie mniejszej liczbie niż w prawdziwym metalu. Pod tym względem bardziej przypominają zdegenerowane półprzewodniki . To wyjaśnia, dlaczego właściwości elektryczne półmetali są pomiędzy metalami i półprzewodnikami .
Właściwości fizyczne
Ponieważ półmetale mają mniej nośników ładunku niż metale, zazwyczaj mają one niższą przewodność elektryczną i cieplną . Mają też małe masy efektywne zarówno dla dziur, jak i elektronów, ponieważ nakładanie się energii jest zwykle wynikiem tego, że oba pasma energetyczne są szerokie. Ponadto charakteryzują się one zazwyczaj wysoką podatnością diamagnetyczną i wysokimi sieciowymi stałymi dielektrycznymi .
Klasyczne półmetale
Klasyczne elementy półmetali jest arsen , antymon , bizmut , α- cyny (szara cyny) i grafit An allotrope z węgla . Pierwsze dwa (As, Sb) są również uważane za metaloidy, ale terminy semimetal i metaloid nie są synonimami. Półmetale, w przeciwieństwie do niemetali, mogą być również związkami chemicznymi , takimi jak tellurek rtęci (HgTe), a cyna , bizmut i grafit zazwyczaj nie są uważane za metaloidy. Odnotowano przejściowe stany półmetaliczne w ekstremalnych warunkach. Niedawno wykazano, że niektóre polimery przewodzące mogą zachowywać się jak półmetale.