Класифікація в рамках зонної теорії

Для класифікації електротехнічних матеріалів часто використовують також зонну теорію електронної енергетичної структури речовини.

Рис. 2. Утворення енергетичних зон. Зліва-направо: метал, метал, (?)

напівпровідник, діелектрик, розширення рівнів при зближенні атомів.

Енергетичні зони в твердих тілах (рис. 2) утворюються в результаті розщеплення атомних електронних рівнів внаслідок міжатомної (міжмолекулярної) взаємодії. Зона, утворена з рівня, що відповідає найбільш віддаленому від ядра (валентному) електрону (електронам), називається валентною. Наступна зона, утворена з першого незаповненого енергетичного рівня в атомі, називається зоною провідності. Ця назва пов'язана з тим, що тільки в зоні провідності електрони можуть вільно переміщуватися. У заповненій валентній зоні вони локалізовані внаслідок відсутності вільних енергетичних рівнів, на які могли б переходити електрони при збільшенні енергії внаслідок прискорення в електричному полі. Ця обставина у поєднанні із принципом Паулі, відповідно до якого знаходження двох електронів у квантовому стані з однаковими значеннями енергії, а також імпульсу, моменту імпульсу й спіну заборонено, робить рух валентних електронів неможливим. Електрони в заповненій валентній зоні "несприйнятливі" до слабких зовнішніх силових впливів на відміну від електронів зони провідності, в якій є всі можливості для переходів на вищі енергетичні рівні при отриманні енергії від поля.

У металах валентна зона або заповнена наполовину або перекривається із зоною провідності, що забезпечує наявність вільних енергетичних рівнів, на які можуть переходити електрони при мінімальних енергетичних витратах, а тому метали є добрими електронними провідниками.

У напівпровідниках і діелектриках валентна зона й зона провідності розділені недоступною для електронів в стаціонарному стані забороненою зоною. Щоб електрон зміг взяти участь в електропровідності, йому необхідно за рахунок зовнішніх джерел або теплових флуктуацій енергії частинок у самому матеріалі надати енергію, що перевищує ширину забороненої зони, тим самим, перекинувши його із валентної зони в зону провідності.

Слід звернути увагу на те, що у рамках зонної моделі напівпровідники й діелектрики не відрізняються. Розходження між ними носить кількісний характер: речовини із забороненою зоною до 2-3 еВ відносять до напівпровідників, а з більш широкою - до діелектриків. Тому для більш глибокого вивчення контактних явищ і електропровідності з урахуванням сучасних уявлень про будову й властивості речовини варто звертатися за допомогою до літератури з фізики напівпровідників.

Кількісні критерії класифікації твердих тіл на провідники, діелектрики і напівпровідники згідно зонної теорії мають такі значення:

- ширина забороненої зони менша за 0,017 еВ при нормальних умовах – провідники;

- ширина забороненої зони більша за 0,017 еВ, але менша за 3 еВ – напівпровідники;

- ширина забороненої зони більша за 3 еВ – діелектрики.

Слід звернути увагу на відносний характер класифікації мате­ріалів за функціональними ознаками: один і той самий матеріал мо­же бути віднесений до різних класів залежно від мети та умов його використання. Наприклад, деякі напівпровідники при напрузі надви­сокої частоти можуть використовуватися як діелектрики, діелектрики за високих температур можуть мати властивості напівпровідни­ків, є навіть приклади переходу діелектриків в надпровідниковий стан при температурах, близьких до абсолютного нуля.

Іншою ознакою для більш детальної класифікації електротехнічних матеріалів є їхнє призначення. Ця класифікація широко використовується при розгляді окремих класів електротехнічних матеріалів.