Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
Зонный механизм заключается в следующем. Электроны в кристалле обладают строго определенными значениями энергии. Наивысший энергетический уровень — зона, в которой находятся электроны, называется валентной. Наряду с разрешенными зонами существуют так называемые запрещенные, соответствующие тем значениям энергии, которыми электрон не может обладать. Для перехода с одного энергетического уровня на другой электрон должен преодолеть запрещенную зону. В металлах валентная зона не полностью заполнена электронами. Наличие в этой зоне свободных уровней позволяет электрону переходить легко на них с заполненных уровней той же зоны, что и обусловливает хорошую электропроводимость металлов.
В диэлектриках и полупроводниках валентная зона заполнена полностью и для протекания тока необходимо, чтобы электроны попали в зону, свободную от них (зону проводимости). Но при переходе электрон должен преодолеть энергетический (Зарьер Аиэ (запрещенную зону). Полупроводник отличается от диэлектрика меньшей шириной запрещенной зоны, т. е. меньшей высотой энергетического барьера, которая составляет 2—3 эВ. Для преодоления этого барьера электрон должен получить извне дополнительную энергию в виде тепла (термическая электропроводимость), кванта света (фотопроводимость) или подвергнуться действию высокого напряжения (пробой диэлектрика). При низких температурах и в отсутствие фотопроводимости полупроводники ведут себя как диэлектрики. По мере нагревания или облучения все большее число электронов приобретает энергию, достаточную для перескока через активационный барьер из валентной зоны в зону проводимости (эл :тронная проводимость). Покидая заполненную валентную зону, электроны оставляют в ней свободные энергетические уровни, называемые «дырками». Появление «дырок» создает возможность последовательного перехода на них электронов с более низких энергети-
383
ческнх уровней, что эквивалентно перемещению «дырок» в обратном направлении. Возникает так называемая «дырочная» проводимость.
При наличии примесей, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне, носители тока могут возникать в результате переходов между уровнями примеси и разрешенной зоной. Если примесь отдает электрон в зону проводимости, то возникает электрогная проводимость (полупроводник «-типа), если же примеси акцептируют электрон из валентной зоны, то носителями тока являются «дырки» (полупроводник р-типа). Отличие полупроводников от электропроводящих материалов (в частности, металлов) заключается в различном влиянии на проводимость температуры: в металлах электропроводимость от температуры практически не зависит, поскольку концентрация носителей тока, равная числу атомов в единице объема, также не зависит от температуры. Подвижность же носителей при этом обычно несколько уменьшается. В полупроводниках с ростом температуры резко увеличивается число носителей тока, которое тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Изменение электрической проводимости с температурой описывается соотношением
х-* ехр (— ДЕ»/?Г), (5.115)
где Хо — постоянная, не зависящая от температуры, не зависящая от концентрации и подвижности носителей тока; А?> — энергия активации проводимости, равная для полупроводников без примеси половине ширины запрещенной зоны, а для примесных проводников — половине расстояния между уровнем примеси и краем зоны проводимости (л-тип) или валентной зоны (/)-тип); к— константа Больцмана.
Величина Д?э для полупроводников, не содержащих примесей, намного выше, чем у полупроводников с примесями. В переменном поле энергия активации снижается с ростом частоты.
Зонный механизм проводимости характерен для полупроводников с низким сопротивлением и высокой подвижностью носителей тока. Туннельный механизм электропроводимости обусловлен вероятностью безактивационного перехода (просачивания) электронов через энергетический барьер. Этот механизм характерен для полупроводников с очень высокой подвижностью носителей тока.
Механизм перескоков предусматривает проводимость электрического тока путем перескоков носителей с одного уровня на другой и проявляется в системах с высоким сопротивлением и низкой подвижностью носителей тока [«Ю-2—10~3 см2/(В-с)]. Для этого механизма характерно также повышение электрической проводимости с ростом температуры, но связано это не с увеличением концентрации носителей тока, а с повышением их подвижности [в некоторых случаях в сотни и тысячи раз до 10—100 м2/(Вс)].
?84
Механизм электрической проводимости полупроводников определяется их структурой (химическим строением макромолекулы и надмолекулярной структурой, определяющей уровень взаимодействия между молекулами). Так, для полупроводников с сопряженными связями вдоль макромолекулы наиболее характерен механизм перескоков, согласно которому ток переносится путем активационных перескоков из одной полисоиря-женной области в другую над диэлектрическим барьером, создаваемым неупорядоченными (не имеющими сопряженных связей) участками. Переход электрона внутри полисопряженной области осуществляется практически безактивационно. С ростом температуры повышается подвижность носителей и электрическая проводимость увеличивается.
