П2.1. Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов

В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

(П1)

Здесь n_i - концентрация носителей заряда i-ого сорта, q_i - значение заряда, m_i – подвижность носителей заряда. Определяющий параметр в этом выражении - n_i. Значение n_i велико для металлов, т.к. нет энергетического барьера для выхода электронов, n_i - очень мало для диэлектриков, т.к. энергетический барьер (ширина запрещенной зоны) значителен и составляет порядка 10 Эв. Полупроводники и слабопроводящие материалы являются промежуточным звеном. Их ширина запрещенной зоны составляет обычно от доли эВ до нескольких эВ.

Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества, легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов, то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т.е. вещества, легко захватывающие электроны, то создается полупроводник с т.н. "дырочной" проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п.

Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.

Рассмотрим некоторые характеристики кремния:

Плотность, кГ/м³ 2300

Т плавления,°С 1400

Теплоемкость, кДж/(кг×К) 0.8

Теплопроводность, Вт/( м×К) 167

Энергия активации, эВ 1,1

Концентрация собственных носителей, 0.04/мкм³.

 

Электропроводность технических материалов также определяется аналогично выражению (П1). Отметим, что электропроводность растет с ростом температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры электроны имеют повышенную энергию и они легче могут стать свободными и участвовать в электропроводности.

В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла. Если снова обратиться к формуле (П1), то подвижность m_i должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки.