Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов. Полупроводники, обладая при комнатной температуре удельным сопротивлением ρ в пределах от 10^-6 до 10⁸ Ом·м, занимают по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (табл.4.1). Они, как и металлы, обладают электронной электропроводностью, которая при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков.

С точки зрения зонной теории твердого тела на энергетической диаграмме полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны (рис.4.1), отделяющей заполненную (валентную) зону от свободной зоны (зоны проводимости). Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10^-22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными. Электроны, находящиеся в валентной зоне не могут принимать участия в процессе переноса заряда и образования электрического тока в веществе. Они могут стать свободными носителями заряда только в случае получения ими из вне дополнительного количества энергии , равного ширине запрещенной зоны.

Ширина запрещенной зоны полупроводниковых элементов приведена в табл.4.4. Для наиболее широко используемых полупроводников она составляет (0,8 - 4,0)×10^-19Дж (0,5 - 2,5 эВ). У диэлектриков ширина запрещенной зоны примерно на порядок больше. Электропроводность полупроводников в большой степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в полупроводнике. Так, например, введение в химически чистый германий всего 0,001% мышьяка увеличивает удельную электропроводимость германия в 10000 раз. Недаром П.А. Флоренский в 1924 году назвал полупроводники “изменчивыми проводниками”.

Наличие в кристаллах полупроводника даже небольшого количества примесей, как правило, увеличивает электропроводность полупроводника и изменяет характер ее температурной зависимости. Вспомним, что в металлах примеси всегда снижают электропроводность, не оказывая существенного влияния на характер температурной зависимости. Кроме того, полупроводники отличаются от проводников тем, что в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры, т. е. их температурный коэффициент удельного сопротивления отрицательный. Особенно интересно это различие в области низких температур. Как было показано в первой главе, у проводниковых материалов при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, удельная электрическая проводимость увеличивается, стремясь к бесконечности и проводники переходят в сверхпроводящее состояние.

В отличие от проводников у полупроводников при уменьшении температуры их удельная электрическая проводимость уменьшается и при стремлении температуры к 0 К полупроводники прекращают проводить электрический ток. Они становятся диэлектриками.

Различие между полупроводниками и диэлектриками не качественное, а лишь количественное. Четкой границы между полупроводниками и диэлектриками не существует.

Таблица 4.1