Классификация твердых тел по проводимости

Классификация твердых тел по их способности проводить электрический ток относится ко времени проведения первых опытов с электричеством. Эта классификация была крайне примитивной, и все вещества делились на две большие категории: проводники и изоляторы (диэлектрики).

Позже было замечено, что большая категория веществ по своей способности проводить электрический ток занимает некоторое среднее положение. Эти вещества проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники, но не могут быть отнесены и к категории диэлектриков. Чисто количественная оценка проводимости этих веществ привела к тому, что эти вещества были выделены в специальную группу полупроводников. Таким образом, этим названием подчеркивалось, что данные вещества представляют собой плохие проводники.

Только глубокое и систематическое изучение принципов проводимости позволило сделать заключение, что количественная оценка проводимости не является основным признаком, выделяющим полупроводники в особую группу веществ. Было обнаружено, что проводимость полупроводников во многом качественно отличается от проводимости проводников, и что полупроводники имеют гораздо больше общих свойств с диэлектриками. Тем не менее, за ними было сохранено их традиционное название.

Основные свойства полупроводников, резко отличающие их от проводников, следующие:

— характер и степень зависимости проводимости от температуры;

— сильное влияние ничтожных количеств примесей на проводимость полупроводников;

— чувствительность проводимости к различного рода излучениям.

Эти же свойства характерны и для диэлектриков.

Для того чтобы представить себе причину различия в свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков, рассмотрим в общих чертах механизм проводимости в твердых телах.

Известно, что атом любого вещества состоит из атомного ядра, являющегося носителем положительного заряда, и вращающихся вокруг него электронов — носителей отрицательного заряда.

Орбиты электронов удалены на различное расстояние от атомного ядра и группируются в электронные оболочки. Электроны внешней оболочки связаны с атомным ядром гораздо слабее внутренних электронов и являются наиболее активными. Это так называемые валентные электроны. Взаимодействие валентных электронов обеспечивает соединение атомов в молекулы или в кристаллическую решетку.

В металлах внешние электронные оболочки атомов перекрываются в столь сильной степени, что атомы могут свободно обмениваться, электронами. Электроны внешней оболочки перестают быть жестко связанными с каким-либо определенным атомом или группой атомов и могут свободно перемещаться в объеме. В отсутствие приложенного напряжения эти электроны совершают сложное хаотическое тепловое движение, аналогичное тепловому движению молекул газа. Претерпевая соударения, электроны резко меняют скорость и направление движения. С этой точки зрения всю совокупность валентных электронов в металлах рассматривают как некоторый электронный газ.

Если взять любое условное сечение внутри объема металла и подсчитать число электронов, проходящих через это сечение в единицу времени, то окажется, что число электронов, проходящих через это сечение слева направо, всегда будет равно числу электронов, проходящих справа налево. А это значит, что электрического тока в этом объеме металла нет.

Если поместить рассматриваемый нами объем металла в электрическое поле (подключить к нему источник напряжения), то электрическое поле будет увлекать электроны. Движущиеся в самых различных направлениях электроны под действием сил поля будут несколько изменять траектории своего движения. Электроны, движущиеся вдоль силовых линий электрического поля Е, будут им тормозиться, а электроны, движущиеся в направлении, противоположном направлению сил поля, ускоряться[1].

Такое упорядоченное смещение электронов в электрическом поле носит название дрейфа. Дрейф электронов в электрическом поле, т. е. упорядоченное движение зарядов в одном направлении, представляет собой электрический ток.

Таким образом, в процессе переноса тока в металлах участвуют валентные электроны, число которых равно числу атомов в данном объеме металла или больше него.

Рассмотрим поведение валентных электронов в таких широко распространенных полупроводниках, как германий или кремний.

Внешняя электронная оболочка атома германия (и кремния) образована четырьмя электронами. Каждый из этих электронов образует с четырьмя соседними атомами парноэлектронные (или ковалентные) связи. Эти связи образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов, и являются очень устойчивыми. Такая пара электронов жестко связана со своей парой атомов и не может свободно перемещаться в объеме полупроводника. Так как все валентные электроны входят в такого рода связи, то в полупроводнике не должно бы быть свободных носителей заряда, и он должен бы быть хорошим диэлектриком. Для полупроводника, обладающего идеальной структурой и находящегося при температуре, близкой к абсолютному нулю, это предположение будет совершенно справедливо.

Однако с повышением температуры атомы, находившиеся при температуре абсолютного нуля в неподвижном состоянии, начинают совершать тепловое колебательное движение. Эта энергия передается электронам и для некоторых из них оказывается достаточной для того, чтобы оторвать их от своих атомов. Так как подавляющее большинство связей при этом сохраняется, целостность кристалла полупроводника можно считать ненарушенной. Оторвавшийся от своего атома электрон приобретает способность свободно перемещаться внутри объема полупроводника, т. е. становится свободным носителем тока. С повышением температуры увеличивается и число электронов, покидающих связи. Электропроводность полупроводника возрастает. В то же время количество электронов, являющихся свободными носителями тока, остается во много миллионов раз меньше числа атомов. Таким образом, с одной стороны, число свободных носителей заряда в полупроводниках во много раз меньше, чем в металлах. Этим объясняется количественное различие в проводимости полупроводников и металлов.

С другой стороны, в металлах свободные носители заряда имеются при любой температуре и в неизменном количестве (все валентные электроны). В идеальном кристалле полупроводника свободные носители появляются только при условии сообщения кристаллу энергии извне. (В нашем случае это была тепловая энергия, но, вообще говоря, аналогичный результат можно получить, например, при освещении полупроводника.) В этом проявляется качественное отличие проводимости полупроводников от проводимости металлов.

Следующей характерной чертой полупроводников является их сильная чувствительность к различного рода примесям. Выше мы рассматривали электропроводность полупроводника, совершенно свободного от каких-либо примесей. Если же, например, в германий или кремний ввести атом примеси, имеющей во внешней оболочке пять валентных электронов, то четыре из них займут места в связях с соседними атомами германия (кремния), а пятый окажется как бы лишним. Этот электрон связан со своим атомом гораздо слабее, чем остальные электроны, занявшие места в валентных связях, поэтому такие избыточные электроны легко освобождаются от атома и превращаются в свободные носители заряда.

Если электропроводность осуществляется за счет электронов примеси, то она называется примесной электропроводностью. Если же электропроводность осуществляется за счет электронов, покинувших валентные связи, то такая электропроводность называется собственной электропроводностью.

Идеальные, абсолютно свободные от примесей кристаллы полупроводника будут обладать только собственной электропроводностью. При этом количество свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре составляет приблизительно 0, 000 000 1% от числа атомов германия. Если ввести в германий такое же количество примеси, способной отдавать избыточный электрон, то количество свободных электронов увеличится вдвое и проводимость возрастет. Даже такое, казалось бы, ничтожное содержание примеси в германии, как 0,001% (германий при этом считается химически чистым), увеличит количество свободных электронов в нем в 10 000 раз, соответственно в 10 000 раз возрастет проводимость. Доля собственной электропроводности станет настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать электропроводность чисто примесной. Из данного примера можно сделать вывод, что, изменяя содержание ничтожных количеств примесей в германии, можно в десятки и сотни тысяч раз изменять его проводимость. Аналогично влияют примеси и на свойства других полупроводников.