Деление твёрдых тел по проводимости

По характеру энергетических, зон с точки зрения природы и величины электрической проводимости, все твёрдые тела можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических проводников показано на рис.1.10.

Рисунок 1.10. Энергетические зоны диэлектриков, полупроводников и металлов: 1 – заполненная зона (валентная); 2 – свободная (или частично заполненная) – зона проводимости; 3 – запрещённая зона шириной ΔW.

В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости (зона 2 на рис.1.10). В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зоны разделены энергетическим зазором шириной ΔW, называемым запрещённой зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых ширина запрещённой зоны менее 3 эВ. У диэлектриков запрещённая зона может достигать 10 эВ.

Во всех твёрдых телах, независимо от того являются ли они металлами, полупроводниками или диэлектриками, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу перемещения. Движение осуществляется в виде туннельного перехода электронов от атома к атому на одном энергетическом уровне, т.е. без изменения энергии. Различие твёрдых тел в электрических свойствах становится понятным при рассмотрении воздействия на них внешнего электрического поля. Это поле стремится нарушить симметрию распределения электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся против поля и замедляя частицы, движущиеся по полю. Однако, изменение скорости движения связано с изменением кинетической энергии электрона, т.е. с необходимостью его перехода в новое квантовое состояние. Очевидно, что такие переходы возможны лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни.

В металлах, где зона проводимости, смыкаясь с валентной зоной образует не полностью заполненную зону, даже слабое поле способно сообщить электронам энергию достаточную для перехода на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0^оК все электроны находятся в валентной (полностью заполненной) зоне, а зона проводимости – пустая. Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной в зону проводимости. Это происходит при нагревании твёрдого тела, когда некоторым электронам сообщается энергия, позволяющая им преодолеть запрещённую зону и перейти из валентной зоны в зону проводимости. Очевидно, чем выше температура и чем уже запрещённая зона, тем больше происходит межзонных переходов. У диэлектриков запрещённая зона может быть настолько велика, что электронная проводимость практически отсутствует.

При каждом переходе электрона в зону проводимости в валентной зоне появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны (свободные уровни), называемыми «дырками». При наличии дырок электроны валентной зоны могут осуществлять эстафетные переходы по уровням этой зоны. Естественно, что дырки движутся противоположно направлению движения электронов, т.е. ведут себя как положительный заряд с отрицательной эффективной массой и с величиной, равной заряду электрона.

Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается и обратным явлением – возвратом электрона в нормальное состояние В результате в кристалле при данной температуре наступает динамическое равновесие между количеством электронов, переходящих в свободное состояние и возвращающихся в нормальное. С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, с понижением падает вплоть до нуля при 0⁰ К.

Так, например, германий имеет ширину запрещённой зоны 0,66 эВ и при комнатной температуре при концентрации электронов в валентной зоне 10¹⁹м^-3 его удельное сопротивление 0,48 Ом٠м; фосфид галлия имеет ширину запрещённой зоны 2,24 эВ, концентрацию электронов 10⁸ м^-3 при комнатной температуре и удельное сопротивление 2٠10¹ Ом٠м, т.е. фосфид галлия практически является диэлектриком. При повышении температуры до 900⁰К концентрация электронов и проводимость фосфида галлия становятся такими же, как и у германия.

Отсюда понятно, что деление веществ на диэлектрики и полупроводники условно, ибо твёрдое тело, являющееся диэлектриком при одних температурах, при других, более высоких, становится полупроводником.