מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה.

שלב 1 מתוך 6

פסים של רמות

זרם הוא מטען שזורם, ובמוצקים את המטען נושאים אלקטרונים. אבל למה בחוט נחושת הם זורמים בקלות, וביהלום כמעט לא?

התשובה ברמות האנרגיה. באטום בודד לאלקטרון יש רמות מסוימות בלבד. בגביש מיליארדי אטומים צמודים זה לזה, והרמות שלהם מתפרשות לפסים: הרבה רמות צפופות, ופערים ביניהן. בצורן, ביהלום ובגרמניום כל האלקטרונים של הקשרים ממלאים את פס הערכיות עד הסוף. מעליו, אחרי פער הפסים, נמצא פס ההולכה, הריק. הצגת רמות האנרגיה מציירת את האלקטרונים לפי האנרגיה שלהם. כאן פער הפסים קבוע על מתכת.

שלב 2 מתוך 6

רעידות החום

כשחומר מתחמם, האטומים בגביש רוטטים חזק יותר. רוב הזמן הרעידות קטנות, אבל לפעמים רעידה גדולה במיוחד שוברת קשר ומעלה אלקטרון מעל הפער. האלקטרון הופך לאלקטרון חופשי בפס ההולכה, ובמקום שעזב נשאר חור: מקום ריק בפס הערכיות, שגם הוא יכול לנוע ולהוליך. פער הפסים קבוע על צורן, 1.12 eV, וטמפרטורה קבועה.

שלב 3 מתוך 6

צורן חם

כמה רעידות גדולות מספיק? החלק של האלקטרונים שחום מעלה מעל הפער תלוי ביחס בין הפער לאנרגיית הרעידות:

$n \propto e^{-E_g/2kT}$⁠

זו פונקציה מעריכית, והמעריך גדול: לצורן ב־300 K, $\dfrac{E_g}{2kT} \approx 22$$\dfrac{E_g}{2kT} \approx$$22$⁠. לכן שינוי קטן בטמפרטורה משנה את $n$⁠ מאוד. פער הפסים קבוע. נבאו, ואז ראו את המספר על הלוח.

שלב 4 מתוך 6

גודל הפער

החומר שהפער שלו קטן הוא מוליך למחצה: יש בו מעט אלקטרונים חופשיים, ומספרם תלוי בחום. הגרמניום, 0.66 eV, מוליך יותר מהצורן, כי הפער שלו קטן יותר. הטמפרטורה קבועה על טמפ׳ החדר. שנו את פער הפסים וחפשו את הפער שנותן פי מאה אלקטרונים מבצורן.

שלב 5 מתוך 6

מבודדים

לחומר שהפער שלו רחב, בערך מעל 4 eV, קוראים מבודד. ביהלום הפער 5.47 eV, ובטמפרטורת החדר אפשר לחכות לנצח לאלקטרון חופשי: ביהלום בגודל כדור הארץ היו רק כמה בודדים. פער הפסים קבוע. נבאו מה יקרה כשנחמם אותו מאוד.

שלב 6 מתוך 6

מתכת קרה

במתכת אין פער בכלל: הפסים חופפים, ויש בה אלקטרונים חופשיים בכל טמפרטורה. מה שהחום כן עושה במתכת הוא להגביר את הרעידות, והאלקטרונים מתנגשים יותר באטומים הרוטטים. לכן ההתנגדות של מתכת עולה כשהיא מתחממת, ושל מוליך למחצה יורדת.

נסו: אחרי הבדיקה, בחרו צורן והורידו את הטמפרטורה לחנקן נוזלי. כמעט כל האלקטרונים החופשיים נעלמים, והצורן הופך כמעט למבודד. השבבים בטלפון בנויים מצורן, ומוסיפים לו אטומים זרים בכמות קטנה כדי לקבוע כמה אלקטרונים חופשיים יהיו בו.

חזרה לניסוי ↑