Semimetal - Semimetal
Un semimetal es un material con una superposición muy pequeña entre la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia . Según la teoría de la banda electrónica , los sólidos se pueden clasificar en aislantes , semiconductores , semimetales o metales . En aisladores y semiconductores, la banda de valencia llena está separada de una banda de conducción vacía por una banda prohibida . Para los aisladores, la magnitud de la banda prohibida es mayor (por ejemplo,> 4 eV ) que la de un semiconductor (por ejemplo, <4 eV). Debido a la ligera superposición entre las bandas de conducción y de valencia, el semimetal no tiene banda prohibida y una densidad de estados insignificante en el nivel de Fermi . Un metal, por el contrario, tiene una densidad de estados apreciable en el nivel de Fermi porque la banda de conducción está parcialmente llena.
Dependencia de la temperatura
Los estados aislantes / semiconductores se diferencian de los estados semimetálicos / metálicos en la dependencia de la temperatura de su conductividad eléctrica . Con un metal, la conductividad disminuye con los aumentos de temperatura (debido al aumento de la interacción de los electrones con los fonones (vibraciones reticulares)). Con un aislante o semiconductor (que tiene dos tipos de portadores de carga: huecos y electrones), tanto las movilidades del portador como las concentraciones del portador contribuirán a la conductividad y tienen diferentes dependencias de temperatura. En última instancia, se observa que la conductividad de los aisladores y semiconductores aumenta con los aumentos iniciales de temperatura por encima del cero absoluto (a medida que se desplazan más electrones a la banda de conducción), antes de disminuir con temperaturas intermedias y luego, una vez más, aumentar con temperaturas aún más altas. El estado semimetálico es similar al estado metálico, pero en los semimetales, tanto los huecos como los electrones contribuyen a la conducción eléctrica. Con algunos semimetales, como el arsénico y el antimonio , hay una densidad del portador independiente de la temperatura por debajo de la temperatura ambiente (como en los metales) mientras que, en el bismuto , esto es cierto a temperaturas muy bajas, pero a temperaturas más altas la densidad del portador aumenta con la temperatura dando lugar a una transición semimetal-semiconductor. Un semimetal también se diferencia de un aislante o semiconductor en que la conductividad de un semimetal es siempre distinta de cero, mientras que un semiconductor tiene conductividad cero a temperatura cero y los aisladores tienen conductividad cero incluso a temperatura ambiente (debido a un intervalo de banda más amplio).
Clasificación
Para clasificar semiconductores y semimetales, las energías de sus bandas llenas y vacías deben trazarse contra el momento cristalino de los electrones de conducción. Según el teorema de Bloch, la conducción de electrones depende de la periodicidad de la red cristalina en diferentes direcciones.
En un semimetal, la parte inferior de la banda de conducción se encuentra típicamente en una parte diferente del espacio de momento (en un vector k diferente ) que la parte superior de la banda de valencia. Se podría decir que un semimetal es un semiconductor con una banda prohibida indirecta negativa , aunque rara vez se describen en esos términos.
Esquemático
Esquemáticamente, la figura muestra
- A) un semiconductor con un espacio directo (por ejemplo, seleniuro de cobre e indio (CuInSe 2 ))
- B) un semiconductor con un espacio indirecto (como el silicio (Si))
- C) un semimetal (como el estaño (Sn) o el grafito y los metales alcalinotérreos ).
La figura es esquemática y muestra solo la banda de conducción de energía más baja y la banda de valencia de energía más alta en una dimensión del espacio de momento (o espacio k). En los sólidos típicos, el espacio k es tridimensional y hay un número infinito de bandas.
A diferencia de un metal normal , los semimetales tienen portadores de carga de ambos tipos (huecos y electrones), por lo que también se podría argumentar que deberían llamarse 'metales dobles' en lugar de semimetales. Sin embargo, los portadores de carga se encuentran típicamente en cantidades mucho menores que en un metal real. A este respecto, se parecen más a los semiconductores degenerados . Esto explica por qué las propiedades eléctricas de los semimetales se encuentran a medio camino entre las de los metales y los semiconductores .
Propiedades físicas
Como los semimetales tienen menos portadores de carga que los metales, por lo general tienen conductividades eléctricas y térmicas más bajas . También tienen pequeñas masas efectivas tanto para huecos como para electrones porque la superposición de energía suele ser el resultado del hecho de que ambas bandas de energía son anchas. Además, suelen mostrar altas susceptibilidades diamagnéticas y altas constantes dieléctricas de celosía .
Semimetales clásicos
Los elementos semimetálicos clásicos son arsénico , antimonio , bismuto , α- estaño (estaño gris) y grafito , un alótropo del carbono . Los dos primeros (As, Sb) también se consideran metaloides, pero los términos semimetal y metaloide no son sinónimos. Los semimetales, a diferencia de los metaloides, también pueden ser compuestos químicos , como el telururo de mercurio (HgTe), y el estaño , el bismuto y el grafito generalmente no se consideran metaloides. Se han informado estados semimetálicos transitorios en condiciones extremas. Recientemente se ha demostrado que algunos polímeros conductores pueden comportarse como semimetales.
Ver también
- Aisladores de transferencia de carga
- Semimetal
- Modelo Hubbard
- Aislante mott
- Física del estado sólido