Типы твердых тел: проводники, диэлектрики, полупроводники

В зависимости от ширины запрещенной зоны, характера заполнения электронами валентной зоны и величины электропроводности все твердые тела делятся на три класса:

  1. Проводники, в которых запрещенная зона отсутствует (DE = 0), а электропроводность колеблется в пределах 106 -104  Ом-1 · см-1 ;
  2. Диэлектрики (изоляторы), для которых ширина запрещенной зоны составляет DE> 4,0 эВ, а электрическая проводимость — 10-10 -10-12  Ом-1 · см-1 ;
  3. Полупроводники , в которых ширина запрещенной зоны составляет DE = 1,5-2,0 эВ, а электрическая проводимость — 104 -10-10  Ом-1 · см-1 .

Проводники

Проводники имеют частично заполненную валентную зону, которая перекрывается с зоной проводимости. Это приводит к способности валентных электронов свободно перемещаться в кристалле или направлено двигаться под действием внешнего поля. Отсутствие запрещенной зоны у металлов объясняется тем, что в их кристаллах s- и p-зоны перекрываются, а количество валентных электронов чрезвычайно мало по сравнению с числом свободных орбиталей в валентной зоне.

Спаренные электроны валентной зоны могут свободно переходить с нижних энергетических уровней на свободные уровни, в том числе и на свободные уровни зоны проводимости. Это обеспечивает высокую электропроводность металлов. Наибольшую электропроводность, с точки зрения зонной теории, имеют металлы, в которых количество электронов в валентной зоне равно числу электронных уровней в зоне проводимости. При этом условии все электроны могут переходить в квазисвободное состояние и участвовать в переносе электричества. К металлам с высокой электропроводностью принадлежат щелочные металлы (Li, Na, K), d-металлы I группы (Cu, Ag, Au), а также металлы II группы (Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, Hg), в которых наблюдается перекрытие валентной зоны и зоны проводимости.

Диэлектрики

Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.

К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al2 O3 , TiO2 , соли NaCl, CaF2 и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.

Полупроводники

Полупроводники по своей удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. От проводников они отличаются повышенной зависимостью электропроводности от содержания примесей, от действия различных видов излучения и от температуры: вблизи абсолютного нуля (0 К) полупроводники приобретают свойства диэлектрика, а при росте температуры их электрическая проводимость усиливается. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно меньшей шириной запрещенной зоны и меньшей величиной энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (1,7 · 10-19  Дж / моль против 11,2 · 10-19  Дж / моль).

Возникновение электропроводности в полупроводниках объясняется следующим образом. В полупроводниковых кристаллах атомы соединены между собой ковалентными связями, образованными при перекрытии орбиталей валентных электронов — значит, валентная зона заполнена полностью. Но под влиянием внешних факторов (температура, электрическое поле или облучения) некоторые электроны получают энергию, достаточную для отрыва от атомных ядер, и переходят из валентной зоны в зону проводимости. За счет этих электронов может происходить перенос электрического тока, обеспечивает n-проводимость — так обозначают проводимость, обусловленную перемещением электронов (от лат. слова negative).

Вследствие отрыва электронов от атома и перехода в зону проводимости, на их местах в валентной зоне возникают электронные вакансии (не полностью заняты электронами энергетические уровни) — так называемые дырки , количество которых равно количеству электронов.

В валентной зоне электрон, который размещается рядом с дыркой, перемещается на это свободное место, оставляя после себя новую дырку, на которую передвигается следующий электрон и т.д. Такой дрейф электронов эквивалентен перемещению дыр в противоположном направлении. В электрическом поле дырки ведут себя как положительные заряды, но следует еще раз подчеркнуть, что перемещение дырки — это не движение носителя электрического заряда, а результат перескакивание электронов. Это явление получило название p-проводимости (от лат. слова positive).

Электронно-дырочный механизм электропроводности проявляется в собственных полупроводниках — таких, которые не содержат примесей.

Если необходимо усилить проводимость n-типа в полупроводник вводят примесные доноры, атомы которых способны отдавать электроны, увеличивая проводимость. Например, в кристалле кремния Si, атомы которого имеют четыре электрона на внешнем уровне один атом Si замещается атомом Р, на внешнем уровне которого содержится пять электронов; четыре из них образуют ковалентные связи с соседними атомами Si, а один электрон находится на свободной орбитали атома фосфора. При получении кристаллом Si небольшой энергии (≈ 4,4 кДж / моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и переходит из валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости, то есть играет роль переносчика электрического тока. Но в целом кристалл Si сохраняет электронейтральность. По отношению к кремнию Si примесными донорами являются р-элементы V группы.

При необходимости усиления проводимости р-типа вводят примесные акцепторы, Атомы которых способны повышать дырочную проводимость. Например, в кристалле Si (с четырьмя электронами на внешнем уровне атома) один из атомов Si замещается атомом бора B, на внешнем энергетическом уровне которого находится только три электрона. При образовании атомом бора четырех ковалентных связей с атомами Si возникает дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решетки, содержащий атом B. При получении таким кристаллом небольшого количества энергии атом бора захватывает электрон из соседнего ковалентной связи, превращаясь в отрицательно заряженный ион, а на месте захваченного электрона возникает дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка становится как бы носителем заряда. Однако электрическая нейтральность кристалла не нарушается. По отношению к кремнию Si примесными акцепторами могут быть р-элементы III группы, а также Zn, Fe, Mn.

В зависимости от механизма проводимости полупроводники делят на таки типы:

  • электронные полупроводники (n -типа)
  • дырочные полупроводники (p -типа).

Иногда полупроводники классифицируют по их химической природе, рассматривая неорганические и органические полупроводники. Однако чаще всего для полупроводников используют другую классификацию, согласно которой их делят на простые и сложные.

Простые полупроводники

Они бывают двух типов:

  1. Собственные полупроводники, к которым относятся сверхчистые кристаллы простых веществ (Si, Ge, Se, Te, B); для собственных полупроводников присуща p-проводимость;
  2. Примесные полупроводники, в которых количество электронов не равно количеству дырок, так как атомы примесей, содержащих в кристаллической решетке основного вещества, могут или отдавать электроны (донорные примеси), или захватывать их (акцепторные примеси). Например, донорные примеси Р, As, Sb в кристаллической структуре германия Ge отдают электроны, в результате чего электронная проводимость таких полупроводников превышает дырочную. Если же в кристаллическую решетку германия ввести акцепторные примеси (Al, Ga, In), то дырочная проводимость такого полупроводника будет преобладать над электронной.

Сложные полупроводники

Сложные полупроводники отличаются нестехиометрическим составом и содержат одновременно донорные и акцепторные примеси. При близости концентраций донорных и акцепторных примесей полупроводник называется компенсированным. В зависимости от того, какой компонент является избыточным, сложный полупроводник может проявлять проводимость n- или p- типа. К сложным полупроводникам относятся соединения р-элементов III группы с р-элементами V группы (GaP, InP, InSb), p-элементов II группы с элементами V и группы (ZnS, ZnTe, CdSe, CdS), p-элементов IV группы (ShC ). Известно много полупроводников более сложной природы (GaAsxP1-x , InxGa1-xSb, ZnS1± x ), в которых варьирование проводимости достигается за счет изменения соотношения атомов металла и неметалла в кристалле.

Полупроводники широко применяются для изготовления электронных приборов, используемых для преобразования и передачи информации (диоды, транзисторы, фото- и термоэлектронные приборы, микросхемы), также как лазерные материалы, в голографии и др.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.