МЕТАЛЛЫ, ИЗОЛЯТОРЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ
Мы уже знаем, что атомы в твёрдом теле расположены в определённом пространственном порядке (см. рис. 1). Правильнее сказать, что в пространстве расположены в порядке не атомы, а атомные ядра. Что же касается электронов, то они в разных телах ведут себя по-разному.
В некоторых телах все электроны прочно удерживаются вблизи ядер. Такие тела называются изоляторами или диэлектриками. В других телах — в металлах — часть электронов свободно или почти свободно странствует по всему объему, занимаемому телом.
Чтобы понять причину столь различного поведения электронов в металлах и в изоляторах, надо учесть, что расстояния между атомными ядрами в твёрдых телах таковы же, как размеры самих атомов. Поэтому каждый электрон находится здесь не только в поле ядра его собственного атома, но и в поле соседних ядер. Если расположение атомов таково, что поля соседних ядер сравнительно малы, электрон удерживается в определённом атоме. Если же поля соседних ядер велики, то силы, действующие на электрон, уравновешиваются и электрон больше не удерживается ядрами, а странствует по всему телу. Такие электроны называются свободными.
В атомах, где много электронов, одни электроны всё время движутся близко от ядра, другие находятся от ядра значительно дальше. Очевидно, что электроны, близкие к ядру в изолированном атоме, будут продолжать удерживаться им и в том случае, когда этот атом находится в твёрдом теле. Ядра соседних атомов гораздо дальше от них, поля этих ядер значительно слабее, чем поле ядра собственного атома. Эти внутренние электроны не покидают атомов. Отрываются и путешествуют по металлу лишь самые внешние, самые далёкие от ядер, слабо удерживаемые ими электроны.
Эти же внешние электроны переходят от одного атома к другому и при сближении двух разных атомов, например при встрече атома водорода с атомом хлора. В этом случае поле ядра атома хлора отрывает электрон от атома водорода. Теперь и водород и хлор уже не нейтральные атомы, а ионы. Положительный ион водорода и отрицательный ион хлора притягиваются и образуют молекулу. Из таких молекул состоит соляная кислота.
Кроме металлов и изоляторов в природе существует много тел, занимающих промежуточное положение по своим электрическим свойствам. Эти тела называются полупроводниками.
По своему строению полупроводники стоят гораздо ближе к изоляторам, чем к металлам. Все электроны в них связаны с атомами, удерживаются полями ядер. Однако некоторые электроны связаны слабо. Вследствие теплового движения частиц тела такие электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Правда, они остаются свободными недолго. Очень скоро они притягиваются теми же или другими ядрами и удерживаются ими. Однако в это же время отрываются другие электроны, и т. д. В полупроводнике всегда имеется некоторое количество свободных электронов, оторвавшихся от атомов вследствие теплового движения.
Свободные электроны в полупроводниках делают их похожими на металлы. Однако между металлами и полупроводниками имеется глубокое различие.
Как бы сильно ни был охлаждён металл, в нём всегда останутся свободные электроны. Силы притяжения соседних ядер в куске металла не дают возможности внешним электронам удерживаться в определённых атомах. Совсем по-иному обстоит дело в полупроводниках. Не элек
трические поля ядер, а тепловые колебания атомов — причина появления в полупроводниках свободных электронов. Но чем ниже температура тела, тем меньше энергия теплового движения его частиц. При низких температурах эта энергия становится недостаточной для того, чтобы отрывать даже слабо связанные электроны. Поэтому при охлаждении полупроводники утрачивают свои металлические свойства и превращаются в изоляторы.
В меди, серебре, железе, алюминии часть электронов свободна. Эти тела — металлы. В стекле, парафине, фарфоре, эбоните все электроны связаны. В этих телах нет свободных электронов. Это—изоляторы.
В закиси меди, сернистом свинце, в элементах — германии и селене — некоторые электроны связаны так слабо, что отрываются от своих мест вследствие теплового движения. Эти тела — полупроводники.
