半金属 (能带理论)

半金属是导带底和价带顶重叠很小的材料。根据电子能带理论，固体可分为绝缘体、半导体、半金属或金属。 在绝缘体和半导体中，填充的价带通过带隙与空的导带分开。 对于绝缘体，带隙的大小（例如，> 4 eV）大于半导体的带隙（例如，< 4 eV）。 由于导带和价带之间的轻微重叠，半金属没有带隙，并且在费米能级的状态密度可以忽略不计。 相比之下，金属在费米能级具有明显的态密度，因为导带被部分填充。

绝缘/半导体状态与半金属/金属状态的区别在于它们的导电性对温度的依赖性。 对于金属，电导率随着温度的升高而降低（由于电子与声子（晶格振动）的相互作用增加）。 对于绝缘体或半导体（具有两种类型的载流子——空穴和电子），载流子迁移率和载流子浓度都会影响电导率，并且它们具有不同的温度依赖性。 最终，观察到绝缘体和半导体的电导率随着初始温度升高到xxx零以上（因为更多电子转移到导带）而增加，然后随着中间温度降低，然后再次随着更高温度而增加。 半金属态类似于金属态，但在半金属中，空穴和电子都有助于导电。 对于某些半金属，如砷和锑，在室温以下（如金属）存在与温度无关的载流子密度，而在铋中，这在非常低的温度下是正确的，但在较高温度下载流子密度随温度增加而增加 半金属-半导体转变。 半金属与绝缘体或半导体的不同之处还在于，半金属的电导率始终不为零，而半导体在零温度下的电导率为零，而绝缘体即使在环境温度下也具有零电导率（由于带隙较宽）。

为了对半导体和半金属进行分类，必须根据传导电子的晶体动量绘制它们的实带和空带的能量。 根据布洛赫定理，电子的传导取决于晶格在不同方向上的周期性。

在半金属中，导带底部通常与价带顶部位于动量空间的不同部分（在不同的 k 向量处）。 人们可以说半金属是一种具有负间接带隙的半导体，尽管很少用这些术语来描述它们。

当材料具有极小或略带负带隙时，将其分类为半导体或半金属会变得棘手。 例如，众所周知的化合物 Fe2VAl 在历史上被认为是一种半金属（具有负间隙 ~ -0.1 eV）超过二十年，直到它实际上被证明是一种小间隙（~ 0.03 eV）半导体使用 输运特性、电阻率和塞贝克系数的自洽分析。 研究带隙的常用实验技术可能对许多因素敏感，例如带隙的大小、电子结构特征（直接与间接带隙）以及自由载流子的数量（通常取决于合成条件 ). 从传输属性建模中获得的带隙基本上与这些因素无关。 另一方面，计算电子结构的理论技术往往会低估带隙。

示意性地，该图显示

• 具有直接间隙的半导体（例如硒化铜铟 (CuInSe2)）
• 具有间接间隙的半导体（如硅 (Si)）
• 半金属（如锡 (Sn) 或石墨和碱土金属）。

该图是示意性的，仅显示了动量空间（或k空间）的一维中的最低能量导带和最高能量价带。 在典型的固体中，k 空间是三维的，并且有无限多的能带。

与普通金属不同，半金属具有两种类型的载流子（空穴和电子），因此人们也可以争辩说它们应该被称为“双金属”而不是半金属。 然而，载流子的数量通常比实际金属中的少得多。 在这方面，它们更类似于简并半导体。