yarı metal - Semimetal
Bir yarı-metal tabanı arasında çok küçük bir örtüşme ile bir malzemedir iletim bandı ve en valans . Elektronik bant teorisine göre katılar yalıtkanlar , yarı iletkenler , yarı metaller veya metaller olarak sınıflandırılabilir . Yalıtkanlarda ve yarı iletkenlerde dolu değerlik bandı boş bir iletim bandından bir bant aralığı ile ayrılır . Yalıtkanlar için, bant aralığının büyüklüğü (örneğin > 4 eV ) bir yarı iletkeninkinden (örneğin < 4 eV) daha büyüktür. İletim ve değerlik bantları arasındaki hafif örtüşme nedeniyle, yarı metalin bant aralığı yoktur ve Fermi seviyesinde ihmal edilebilir bir durum yoğunluğu vardır . Buna karşın bir metal, iletim bandı kısmen dolu olduğu için Fermi seviyesinde kayda değer bir durum yoğunluğuna sahiptir.
Sıcaklık bağımlılığı
Yalıtım/yarı iletken durumlar , elektriksel iletkenliklerinin sıcaklığa bağımlılığında yarı metalik/metalik durumlardan farklıdır . Bir metalde, iletkenlik sıcaklıktaki artışla azalır (elektronların fononlarla artan etkileşimi (kafes titreşimleri) nedeniyle). Bir yalıtkan veya yarı iletkende (iki tip yük taşıyıcısı vardır - delikler ve elektronlar), hem taşıyıcı hareketlilikleri hem de taşıyıcı konsantrasyonları iletkenliğe katkıda bulunur ve bunların farklı sıcaklık bağımlılıkları vardır. Nihayetinde, yalıtkanların ve yarı iletkenlerin iletkenliğinin, mutlak sıfırın üzerindeki sıcaklıktaki ilk artışlarla (daha fazla elektron iletim bandına kaydırıldığından), ara sıcaklıklarla azalmadan önce ve daha sonra, daha yüksek sıcaklıklarda bir kez daha arttığı gözlemlenir . Yarı metalik durum metalik duruma benzer, ancak yarı metallerde hem delikler hem de elektronlar elektrik iletimine katkıda bulunur. Arsenik ve antimon gibi bazı yarı metallerde, oda sıcaklığının altında (metallerde olduğu gibi) sıcaklıktan bağımsız bir taşıyıcı yoğunluğu vardır, oysa bizmutta bu çok düşük sıcaklıklarda doğrudur, ancak daha yüksek sıcaklıklarda, taşıyıcı yoğunluğu sıcaklık artışına neden olarak artar. yarı metal-yarı iletken geçişi. Bir yarı metal ayrıca bir yalıtkan veya yarı iletkenden, yarı metalin iletkenliğinin her zaman sıfır olmaması, yarı iletkenin sıfır sıcaklıkta sıfır iletkenliğe sahip olması ve yalıtkanların ortam sıcaklıklarında bile (daha geniş bir bant aralığı nedeniyle) sıfır iletkenliğe sahip olması bakımından farklıdır.
sınıflandırma
Yarı iletkenleri ve yarı metalleri sınıflandırmak için, dolu ve boş bantlarının enerjileri , iletim elektronlarının kristal momentumuna karşı çizilmelidir . Bloch teoremine göre elektronların iletimi, kristal kafesin farklı yönlerdeki periyodikliğine bağlıdır.
Bir yarı metalde, iletim bandının alt kısmı tipik olarak, değerlik bandının tepesinden farklı bir momentum uzayında (farklı bir k- vektöründe ) bulunur. Bu terimlerle nadiren tanımlansalar da , bir yarı metalin negatif dolaylı bant aralığına sahip bir yarı iletken olduğu söylenebilir.
Şematik
Şematik olarak, şekil gösterir
- A) doğrudan boşluklu bir yarı iletken (örneğin bakır indiyum selenit (CuInSe 2 ))
- B) dolaylı boşluklu bir yarı iletken ( silikon (Si) gibi)
- C) bir yarı metal ( kalay (Sn) veya grafit ve toprak alkali metaller gibi ).
Şekil, momentum uzayının (veya k-uzay) bir boyutunda yalnızca en düşük enerjili iletim bandını ve en yüksek enerjili değerlik bandını gösteren şematiktir . Tipik katılarda k-uzayı üç boyutludur ve sonsuz sayıda bant vardır.
Normal bir metalden farklı olarak , yarı metallerin her iki tipte (delikler ve elektronlar) yük taşıyıcıları vardır, bu nedenle yarı metaller yerine 'çift metaller' olarak adlandırılması gerektiği de iddia edilebilir. Bununla birlikte, yük taşıyıcılar tipik olarak gerçek bir metalden çok daha küçük sayılarda meydana gelir. Bu bakımdan dejenere yarı iletkenlere daha çok benzemektedirler . Bu, yarı metallerin elektriksel özelliklerinin neden metallerin ve yarı iletkenlerinkilerin arasında olduğunu açıklar .
Fiziksel özellikler
Yarı metaller metallerden daha az yük taşıyıcıya sahip olduklarından, tipik olarak daha düşük elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptirler . Ayrıca hem delikler hem de elektronlar için küçük etkili kütlelere sahiptirler çünkü enerjideki örtüşme genellikle her iki enerji bandının da geniş olması gerçeğinin sonucudur. Ayrıca tipik olarak yüksek diyamanyetik duyarlılıklar ve yüksek kafes dielektrik sabitleri gösterirler .
Klasik yarı metaller
Klasik yarı metalik elementler arsenik , antimon , bizmut , a- kalay (gri kalay) ve bir karbon allotropu olan grafittir . İlk ikisi (As, Sb) de metaloid olarak kabul edilir, ancak semimetal ve metaloid terimleri eşanlamlı değildir. Yarı metaller , metaloidlerin aksine, cıva tellürid (HgTe) gibi kimyasal bileşikler de olabilir ve kalay , bizmut ve grafit tipik olarak metaloid olarak kabul edilmez. Aşırı koşullarda geçici yarı metal durumları rapor edilmiştir. Son zamanlarda bazı iletken polimerlerin yarı metaller gibi davranabildiği gösterilmiştir .