Разнообразие полупроводниковых материалов
Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.
Что такое металлы?
Определение:
Металлы — это группа веществ, обладающих высокой электро- и теплопроводностью и ковкостью. Металлы составляют ¾ элементов периодической таблицы элементов.
Свойства:
Металлы являются отличными проводниками электричества и податливы, что означает, что ими можно манипулировать, придавая им различные формы и очертания. Металлы также способны легко терять электроны, но не очень легко их набирать, что означает, что у них низкая энергия ионизации. Связи, образующиеся при соединении металлов с другими металлами, обычно называются металлическими связями. Существует большое разнообразие в том, насколько реакционноспособны металлы, и многие из них также имеют блестящий внешний вид. Многие металлы также легко вступают в реакцию с неметаллами. Элементы, которые являются металлами, находятся в основном в левой части периодической таблицы.
Примеры:
Примеры металлов, знакомых большинству людей, включают медь, цинк и олово; алюминий — распространенный металл, встречающийся в земной коре.
Используется:
Многие металлические сплавы используются в производстве и строительстве сооружений. Например, латунь — это сплав цинка и меди, а сталь — это сплав металла железа с различным количеством неметалла углерода, а также с различным количеством других веществ. Сплавы всегда включают по крайней мере один металл и являются важными компонентами инженерных конструкций; они, как правило, прочнее и долговечнее, чем отдельный металл.
Двухэлементные соединения
Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.
Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.
Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп – сульфид и теллурид свинца, сульфид олова – также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия – соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.
GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.
Особенности полупроводников
Полупроводники представляют собой материалы, обладающие специфическими свойствами, которые отличают их от металлов и изоляторов. Главная особенность полупроводников заключается в том, что они могут проявлять как проводящие, так и непроводящие свойства в зависимости от внешних условий.
Проводимость полупроводников может быть контролируема путем модификации их состава и структуры. Это достигается путем добавления определенных примесей в процессе производства полупроводниковых материалов. Такие примеси называют донорами или акцепторами и позволяют изменять проводимость материала.
Полупроводниковые материалы обладают меньшей электропроводностью по сравнению с металлами, но большей, чем у изоляторов. Это связано с особенностями энергетической структуры атомов в полупроводниках. Наличие разрешенных и запрещенных зон энергии позволяет полупроводникам обладать проводимостью в определенных условиях.
Полупроводники играют ключевую роль в электронике и технологии из-за своих свойств, таких как возможность управления электрическим током, высокая чувствительность к внешним воздействиям и практическая применимость в различных устройствах. Благодаря этим особенностям полупроводники широко применяются в производстве полупроводниковых приборов, компьютеров, солнечных батарей, лазеров и других технологических устройств.
Механизм электрической проводимости
Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.
Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.
Дырка
Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.
Энергетические зоны
Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:
- Зона проводимости;
- Запрещенная зона;
- Зона валентности.
Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.
Подвижность
При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.
Электронно-дырочный переход
У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
I = I Э+I Д.
Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:
I Э > I Д.
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:
М Э = (V Э / Е).
М Д = (V Д / Е).
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:
I = N * e * (М Э + М Д) * E.
Но нужно отметить, что у нас есть равенства:
V Э =М Э.
N = N Э = N Д.
Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).
Помогла вам статья?
ДаНет
Примесная и собственная проводимость полупроводников
Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.
Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью.
Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.
Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.
Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.
Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.
Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.
Применение в технике и промышленности
Полупроводники и металлы играют важную роль в современной технике и промышленности, каждый из них имеет свои уникальные свойства и применения. Вот некоторые из областей, где применяются полупроводники и металлы:
Полупроводники:
- Электроника: Полупроводники являются ключевыми компонентами для создания электронных устройств, таких как транзисторы, диоды и интегральные схемы. Они используются во всех современных устройствах, включая компьютеры, мобильные телефоны, телевизоры и многие другие.
- Солнечные батареи: Полупроводники используются в солнечных батареях для преобразования солнечной энергии в электричество. Эта технология становится все более популярной, поскольку солнечная энергия является чистым и возобновляемым источником энергии.
- Индустрия светодиодов: Полупроводники находят широкое применение в светодиодах. Светодиоды используются для освещения, индикации и дисплеев. Они эффективнее и долговечнее, чем традиционные источники света.
- Термисторы и датчики: Полупроводниковые термисторы используются для измерения и контроля температуры в различных устройствах, таких как холодильники, автомобили и климатические системы. Полупроводниковые датчики также широко применяются для измерения различных физических параметров.
Металлы:
- Строительство: Металлы широко используются в строительных и инженерных работах. Они используются для создания конструкционных элементов, таких как стальные фермы и арматура, а также для производства каркасов зданий и мостов.
- Энергетика: Металлы, такие как алюминий и медь, используются для производства проводов и кабелей, которые применяются в электрических сетях и системах передачи энергии. Металлические материалы также используются в производстве турбин, трансформаторов и других компонентов энергетического оборудования.
- Автомобильная промышленность: Металлы играют важную роль в производстве автомобилей. Они используются для создания кузовов, двигателей, рам и других элементов автомобильных компонентов. Металлы обладают достаточной прочностью и жесткостью, чтобы обеспечить безопасность и надежность автомобилей.
- Упаковка и контейнеры: Металлическая упаковка, такая как жестяные банки и бутылки, широко используется в пищевой и напитковой промышленности. Металлы обеспечивают хорошую защиту от воздействия внешних факторов и сохраняют продукты свежими и безопасными.
Это лишь некоторые примеры применения полупроводников и металлов в технике и промышленности. В современном мире эти материалы стали неотъемлемой частью нашей жизни, обеспечивая функционирование множества устройств и систем.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.
Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.
Типы проводимости полупроводников
Из-за нарушения ковалентных связей происходит образование свободных электронов и мест их отсутствия – дырок, возле атомов от которых оторвались электроны.
Образование пары электрон – дырка при нарушении ковалентной связи.
Дырка ведёт себя как электрон, только с положительным зарядом, совершая хаотичные движения в течении некоторого времени, называемого временем жизни носителей заряда, а после рекомбинирует с одним из свободных электронов. Среднее расстояние, которое проходит электрон или дырка за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (электрона Ln или дырки Lp). В полупроводнике свободные электроны совершая переходы от одной дырки к другой, создавая впечатление, что одна и таже дырка перемещается от атома к атому. Однако это свободные электроны движутся в направлении противоположном образовании дырок. В связи с этим в полупроводниках выделяют два типа проводимости носителей зарядов: электронная и дырочная.
В однородных полупроводниках (собственный полупроводник) основной причиной образования пар электронов и дырок является нагрев, то есть термогенерация. Количество генерируемых пар носителей заряда равно количеству рекомбинированных пар. Величина, характеризующая число носителей заряда в единице объёма, называется удельной электрической проводимостью (для электронов — ni, для дырок — pi). Проводимость полупроводника в результате термогенерации электронно-дырочной пары называется собственной проводимостью.
Кроме собственной проводимости существует, так называемая дефектная проводимость, которая обусловлена наличием дефекта кристаллической решётки: избыток одного из компонентов вещества (например кислорода в окиси меди Cu2O) либо смещение узлов решётки.
Ещё одним типом проводимости, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, нарушающих структуру решетки, является примесная проводимость. Атомы примеси, в кристаллических решётках полупроводников, замещают основные атомы в узлах решётки. Так при введении в кремний атомов фосфора, четыре его электрона связываются с четырьмя электронами кремния, а пятый электрон фосфора оказывается слабо связан с ядром атома и делается свободным. В результате атом фосфора приобретает единичный положительный заряд. Свободные электроны примесных атомов добавляются к электронам порождённым термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника делается преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n-типа, а примеси называются донорными, кроме фосфора донорными примесями являются сурьма, мышьяк и другие пятивалентные атомы.
Донорная примесь в решётке кремния (образуется свободный электрон).
Другой тип проводимости, обусловленный примесями, появляется при введении трёхвалентных атомов, например, бора, алюминия, галия, индия. Так как данные атомы имеют по три электрона, а кремний или германий – по четыре, то в результате замещения ими в узлах кристаллической решётки появляется необходимость в дополнительном электроне. Данный электрон берётся из основной решётки, следовательно, в том месте откуда пришел электрон образуется дырка, которая добавляется к термогенерированным дыркам. Такие полупроводники называются дырочными или p-типа, а примеси называются – акцепторными.
Акцепторная примесь в решётке кремния (образуется свободная дырка).
Так как в полупроводниках с примесями один из носителей зарядов преобладает над другим, то те носители, которых большинство, называются основными, а те, которых меньшинство – неосновными. В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.
Свойства проводников
Проводники отличаются хорошей электропроводностью
. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.
Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.
Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.
Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:
- Золото.
- Серебро.
- Медь.
- Алюминий.
- Железо.
Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.
Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.
Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.
Основные характеристики полупроводников и металлов
Характеристика | Полупроводники | Металлы |
---|---|---|
Проводимость | Полупроводники обладают переменной проводимостью, которая может быть контролируема. Они могут быть как проводниками, так и изоляторами в зависимости от допирования. | Металлы являются отличными проводниками электричества и тепла. В металлах, электрический ток передается свободными электронами. |
Температурная зависимость | Полупроводники обладают температурной зависимостью проводимости. При повышении температуры проводимость полупроводника может увеличиваться или уменьшаться. | У металлов температурная зависимость проводимости незначительна или отсутствует. Металлы сохраняют хорошую проводимость при любых температурах. |
Ширина запрещенной зоны | Полупроводники имеют узкую запрещенную зону, что делает их чувствительными к внешним воздействиям, таким как свет, температура и напряжение. | У металлов отсутствует запрещенная зона, что делает их свободными для движения электронов и текущего прохождения. |
Применения | Полупроводники являются ключевыми элементами в электронике и используются в таких устройствах, как транзисторы, диоды и интегральные схемы. | Металлы широко используются в проводах, контактах, электроде и других приложениях, где требуется хорошая электропроводность. |
В целом, полупроводники и металлы имеют разные свойства и обладают разными характеристиками, что позволяет им использоваться в различных областях и приложениях.
Что такое металлоиды?
Определение:
Металлоиды — это вещества, свойства которых находятся между свойствами металлов и неметаллов. Многие из них также известны как полупроводники; это означает, что многие металлоиды в определенное время способны проводить электричество. Их также часто называют полуметаллами, поскольку они могут обладать некоторыми свойствами металлов, но не классифицируются как металлы, так как не обладают всеми свойствами, которые мы используем для обозначения элементов как металлов.
Свойства:
Металлоиды имеют промежуточные уровни электроотрицательности и ионизации, при этом многие из них способны выступать в качестве проводников электричества при определенных условиях. Именно потому, что металлоиды обладают свойствами между металлами и неметаллами, они расположены в периодической таблице между двумя другими группами элементов.
Примеры:
Бор, мышьяк и кремний являются примерами шести элементов периодической таблицы, которые принято относить к металлоидам.
Используется:
Определенные металлоиды, такие как кремний, важны для электроники, поскольку они обладают промежуточными свойствами электропроводности. Кремниевый чип составляет основу всех компьютерных систем
Бор является важной частью многих веществ, используемых в производстве, а в сочетании с силикатом образует боросиликат, используемый в стекле, где он защищает от повреждений при сильных тепловых изменениях
Энергетические зоны твердых тел
Атомы состоят из ядра и электронной оболочки, в которой на разном расстоянии от ядра по замкнутым орбитам движутся электроны. Каждый электрон обладает некоторой энергией W, позволяющей ему находится на заданной орбите. Чем больше энергия, тем дальше от ядра атома находится орбита электрона, то есть выше его энергетический уровень. Между энергетическими уровнями существуют запрещённые зоны в которых не могут находиться электроны, а только их пересекать с одного разрешённого уровня на другой.
Так как твёрдое тело состоит из множества атомов, то в нём образуется совокупность энергетических уровней или энергетические зоны, называемые разрешёнными, в которых находятся электроны. Ширина разрешённой зоны обычно составляет несколько электрон-вольт. Каждая такая зона характеризуется максимальным и минимальным уровнем энергии, которые называются потолок и дно зоны.
Разрешённые зоны, не имеющие электронов, называются свободными, но при температуре выше абсолютного нуля в них могут находится электроны, тогда такие свободные зоны, называются зонами проводимости. Разрешённые зоны полностью заполнение электронами называются валентными зонами, и они находятся ниже зон проводимости.
Зонная структура твёрдого тела при Т = 0 К для металла, полупроводника и диэлектрика.
В соответствии с зонной структурой проводится разделение твердых тел на: металлы, полупроводники и диэлектрики. Так у металлов зоны проводимости и валентная перекрывают друг друга, поэтому при абсолютно нулевой температуре в нём есть свободные электроны и присутствует проводимость. Напротив, у полупроводников и диэлектриков при температуре абсолютного нуля в зоне проводимости отсутствуют электроны, а следовательно проводимость отсутствует. Основное различие между ними в ширине запрещенной зоны.
Ширина запрещённой зоны ΔWA, носит название энергии активации собственной электропроводности. Так для металлов она равняется нулю ΔWa = 0, для полупроводников условно считается ΔWA ≤ 2 эВ, а для диэлектриков – ΔWA ≥ 2 эВ. Следовательно, для полупроводников достаточно передать электрону небольшую величину энергии, чтобы он перешёл из валентной зоны в зону проводимости.
Полупроводники.
Рис. 3
От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При T = 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».
Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают… пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки, тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых электронов проводимости), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка — это отсутствующий электрон.
Таким образом, в полупроводнике электрический ток — это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной.
Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов, переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает.
В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость) почти чисто электронной или чисто дырочной.
Рис. 4
Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями, а уровни — донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник p-типа.
Наиболее известные полупроводниковые материалы — это германий и кремний, а их главные технические применения как раз и связаны с возможностью создания образцов n- и p-типов («Физика 9», с. 212).
Слоистые кристаллы
Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.
Типы полупроводников, слоистые кристаллы
MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.
Зонная структура металлов
Определим условия проводимости металлов. Целиком заполненные электронами зоны нас не интересуют, так как в них не могут совершаться внутризонные переходы под воздействием внешнего электрического поля. Валентные электроны атомов, объединяясь, образуют валентную зону, которая заполняется электронами наполовину. Эта зона — зона проводимости. При воздействии внешнего поля электроны, базирующиеся в зоне проводимости, получат энергию и перейдут на верхние свободные энергоуровни и будут упорядоченно двигаться. Значит, если валентная зона занята не целиком, то мы имеем дело с проводником. Так заполняются валентные зоны в металлах первой группы системы Менделеева (Li, Na, K, Rb, Cs) (рис.4).
Рисунок 4.
Рисунок 5.
Пример 1
Задание: Опишите, процесс электропроводности в металлическом натрии.
Решение:
Порядковый номер натрия (Na) в периодической системе Д.И. Менделеева Z=11. Следовательно, общее число электронов в атоме равно 11. Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням должно происходить, удовлетворяя принцип минимума потенциальной энергии. То есть каждый следующий электрон занимает место с возможной наименьшей энергией. Заполнение энергетических уровней происходит по принципу Паули.
Так у натрия полностью заполнены: K- слой, содержащий 2 электрона, L- слой, имеющий 8 электронов, одиннадцатый электрон натрия расположен в M – слое, при этом занимает низшее состояние (3s). В соответствии с принципом Паули одиннадцатый электрон атома натрия наполовину заполняет верхний энергетический уровень атома. В кристалле натрия первым двум оболочкам соответствуют полностью заполненные зоны. В этих зонах переходы электронов невозможны под воздействием внешнего электрического поля. Валентные электроны натрия при образовании кристалла порождают валентную зону. Она заполняется на половину и, соответственно является зоной проводимости. Электроны данной зоны могут принимать участие в проводимости. У натрия мы имеем не полностью заполненную валентную зону — это проводник.
Пример 2
Задание: Объясните с точки зрения зонной теории, почему электропроводность металлов не растет при увеличении их валентности?
Решение:
Электропроводность металла зависит не от количества валентных электронов на один атом, а числа электронов, для которых в валентной зоне существует достаточно свободных энергетических состояний. Так, например, для двухвалентных щелочноземельных металлов валентные электроны атомов находятся на энергоуровнях гибридной зоны так, что некоторое количество верхних уровней этой зоны свободно и может быть заполнено. Но количество электронов, которые могут перейти благодаря энергии внешнего источника в свободные состояния, меньше, чем у одновалентных металлов. Следовательно, электропроводность двухвалентных металлов меньше, чем одновалентных.