ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Полупроводники из "Физическая химия" Зонная теория позволяет охватить все типы электронной проводимости твердых тел. Мы видели (см. 4 этой главы), что изоляторы в отличие от металлов имеют полностью заполненную низшую зону. Изоляторы имеют удельное сопротивление порядка 10 —10 , а металлы порядка 10 —10 Ом-см. [c.516] Огромное большинство неорганических тел относится к категории полупроводников. Их удельная электропроводность меньше 10 Ом см В отличие от металлов электропроводность полупроводников растет с температурой. [c.516] Малая величина электропроводности может быть вызвана либо малой концентрацией носителей зарядов, либо малой их подвижностью. Определение концентрации носителей заряда, их знака и подвижности может быть сделано на основе измерения электропроводности и изучения эффекта Холла. [c.516] Эффект Холла заключается в возникновении электрического поля в твердом теле, через которое пропускают ток, при этом перпендикулярно к направлению тока прилагают магнитное поле. Отклонение электронов в магнитном поле создает объемный заряд, что приводит к возникновению электрического поля. Напряженность этого поля направлена перпендикулярно к току и напряженности магнитного поля. Теория определения знака носителя по эффекту Холла требует привлечения квантовой механики. [c.516] Измерения показали, что подвижность электронов проводимости в полупроводниках близка к таковой у металлов. Меньшая электропроводность, таким образом, определяется тем, что концентрация электронов проводимости меньше, чем в металлах, в сотни тысяч и миллионы раз. [c.516] Эффект Холла показал также, что наряду с отрицательно заряженными носителями зарядов в полупроводниках заряд переносится положительными зарядами, имеющими массу электрона. В некоторых проводниках перенос осуществляется одними отрицательными зарядами, в других — одними положительными, а в третьих — и теми, и другими одновременно. Подвижность электронов обычно несколько больше подвижности дырок. [c.516] Следует различать полупроводники, обладающие собственной проводимостью, и так называемые примесные. [c.516] В изоляторах, как мы видели, нижняя зона целиком заполнена, а следующая отделена запрещенной зоной. Если ширина запрещенной зоны Q лежит в пределах 5—10 эВ, то вещество является при всех реальных температурах хорошим изолятором. Однако у некоторых тел, например германия и кремния, ширина запрещенной зоны около I эВ. В этом случае уже при комнатной температуре часть электронов может перейти из нижней заполненной зоны в верхнюю свободную. При этом в верхней зоне возникает электронная проводимость. В нижней зоне появятся дырки , перемещение которых также может осуществить ток. [c.516] Шокли в качестве иллюстрации предложил рассматривать двухэтажный гараж. Пусть нижний этаж целиком заполнен автомобилями, а верхний совершенно свободен. В этом случае автомобили не обладают подвижностью в обоих этажах. Пусть один автомобиль перейдет из нижнего в верхний этаж. Возникнет возможность перемещения автомобиля на обоих этажах. При этом движение автомобилей на нижнем этаже рационально описывать как движение дырки (места, где нет автомобиля), хотя двигаются, конечно, автомобили. Движение дырки будет фиксироваться в эффекте Холла как движение положительного заряда. Действительно, устойчивых положительных частиц с массой электрона не существует. Таким образом, у полупроводников с собственной проводимостью имеется как обычная (электронная), так и дырочная проводимость. Вышеизложенное объясняет возрастание проводимости полупроводников с повышением температуры. С ростом температуры увеличивается число электронов, перешедших в верхнюю зону, что и приводит к увеличению электропроводности. [c.517] Функция распределения / з = 1, так как она описывает одно квантовое состояние с энергией, принятой за нуль. Состояния С я О подобны газовым, а состояние 3 — конденсированному. [c.517] Цифра 2 здесь возникает потому, что на каждом уровне имеются электроны в двух состояниях с разными направлениями спин-момента. [c.517] При высоких температурах это соотношение выполняется, при низких большую роль по сравнению с собственной играет так называемая примесная электропроводность. Атом примеси может отдавать свой электрон (быть донором). Если энергетический уровень электрона примеси окажется вблизи от верхней зоны, то электрон может от примеси перейти в верхнюю зону и превратиться в электрон проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками /г-типа, или электронными. [c.518] Энергия возбуждения электрона примеси может оказаться меньше Q, поэтому при низких температурах примесная проводимость больше собственной. Если атом примеси может принять электрон (атом—акцептор) и уровень этого электрона лежит вблизи потолка нижней зоны, то электрон из заполненной зоны может перейти к примеси. В результате в нижней зоне образуется дырка и возникает полупроводник р-типа. [c.518] Примеси в ионных соединениях могут возникнуть из-за нарушения стехиометрического состава. Так, при нагревании окиси цинка в вакууме удаляется больше атомов кислорода, чем цинка. Таким образом, в решетке остаются избыточные атомы цинка. [c.518] Избыточные ионы цинка переходят в междоузлия, присоединяя к себе два электрона и превращаясь в атомы. По крайней мере, один из этих электронов легко переходит в зону проводимости. [c.518] При нагревании хлористого натрия в атмосфере паров натрия испаряются атомы хлора, и электроны занимают их места, образуя так называемые Ацентры, или центры, окрашивания. При этом возникает поглощение в видимой части спектра. Расстояние до зоны проводимости оказывается у электрона такого центра все же достаточно большим (более 1 эВ), поэтому электронная проводимость возникает лишь при повышенных температурах. [c.518] Избыток кислорода в окисных соединениях создает акцепторы электрона и приводит к р-проводимости. [c.518] Ионный кристалл может получить проводимость и без примесей или стехиометрического избытка в результате термической обработки, так как при этом некоторые ионы могут перейти в междоузлия, что приведет к образованию свободных узлов, которые будут удерживать электрон или дырку. [c.518] В настоящее время примесные полупроводники изготовляются В ОСНОВНОМ путем замещения атомов в решетке четырехвалентных элементов (например, германия или кремния) атомами с большей или меньшей валентностью, чем у основных атомов. [c.518] Наоборот, атом бора, имеющий валентность, равную трем, сможет образовать связи лишь с тремя из своих четырех соседей. Ненасыщенная свободная связь четвертого соседа является акцептором и может вызвать дырочную проводимость. Практически каждый атом примесных элементов третьей или пятой группы в германии или кремнии отдает или принимает один электрон. [c.519] Вернуться к основной статье