Полуметалл (физика твёрдого тела)

У этого термина существуют и другие значения, см. Полуметалл (значения).

Полумета́ллы  — в физике твёрдого тела называются различные вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. В отличие от полупроводников полуметаллы обладают электрической проводимостью вблизи абсолютного нуля температуры, в то время как полупроводники (тем более диэлектрики) в этих условиях — изоляторы^[1].

Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — плотность состояний для данной энергии в указанном материале.
Полутона соответствует распределению Ферми — Дирака (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое).

Диаграмма зон прямозонного (A), непрямозонного (B) полупроводников и полуметалла (C).
${\displaystyle E}$ – энергия;
${\displaystyle k}$ – волновое число;
${\displaystyle E_{g}}$ – ширина запрещённой зоны;
${\displaystyle E_{F}}$ – уровень Ферми;
${\displaystyle h^{+}}$ – дырки в валентной зоне;
${\displaystyle e^{-}}$ – электроны в зоне проводимости.

В металлах и полуметаллах уровень Ферми ${\displaystyle E_{F}}$ находится внутри, по меньшей мере, одной разрешённой зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещённой зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.

Характерной особенностью полуметаллов является небольшое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит, с одной стороны, к тому, что полуметаллы остаются проводниками электрического тока вплоть до абсолютного нуля температуры, а с другой стороны — с повышением температуры число носителей тока (электронов и дырок) возрастает, но всё-таки остаётся небольшим, достигая концентрации до 10¹⁸—10²⁰ см⁻³, или до 10⁻³ на один атом.

Носители тока в полуметаллах отличаются большой подвижностью и малой эффективной массой. Поэтому полуметаллы — удобные материалы для наблюдения размерных эффектов^{[прояснить]}, фазовых переходов полуметалл — диэлектрик в сильных магнитных полях и ряда других явлений в твёрдом теле.

Примечания

1. Burns, Gerald. Solid State Physics. — Academic Press, Inc., 1985. — P. 339–40. — ISBN 978-0-12-146070-9.