Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Глава 14
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА И ЗОННАЯ ТЕОРИЯ-МЕТАЛЛЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ,
ТВЕРДЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, ИХ ЦВЕТНОСТЬ
14.1. Введение—металлы, диэлектрики, полупроводники
Способность металлов проводить электрический ток известна уже многие годы. Открытие Бардиным, Шокли и Братейном (1948 г.) транзисторного эффекта и построение первого полупроводникового транзистора привели к бурному росту интереса к электронным свойствам материалов, особенно в последние годы в связи с созданием полупроводниковых интегральных схем на основе кремния. В настоящей главе автор старался, не используя строгого математического аппарата, дать представление об электронных свойствах твердых тел с позиции зонной теории. Основное внимание уделено металлам и полупроводникам, однако рассмотрены и другие твердые неорганические фазы.
На первый взгляд кажется, что главное различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками состоит в величине проводимости. Металлы обладают высокой электропроводностью (а«104ч-106 Ом-1-см-1), диэлектрики — низкой проводимостью или практически полным ее отсутствием (о*^ ^10-15 Ом-1-см-1), полупроводники занимают промежуточное положение (а~ 10~5-т-103 Ом~1*см'-1) (табл. 13.1). Приведенные граничные значения проводимости весьма условны.
Однако существует и принципиальное различие механизмов проводимости в металлах, с одной стороны, и в полупроводниках и диэлектриках — с другой. Суть различия состоит в том, что проводимость большинства полупроводников и диэлектриков быстро возрастает с ростом температуры, в то время как электропроводность металлов в этих условиях хотя и слабо, но постоянно уменьшается.
Электропроводность о связана с концентрацией п, зарядом е и подвижностью и. носителей заряда
о = пе\1 (14.1)
60
14. Электронные свойства и зонная теория
Поэтому температурная зависимость проводимости о различных материалов определяется температурными зависимостями п, е и д.. Для всех электронных проводников заряд е постоянен: и не зависит от температуры. В большинстве материалов величина подвижности обычно слабо уменьшается с ростом температуры из-за увеличения интенсивности столкновений между движущимися электронами и фононами, т. е. из-за рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки. Поэтому различное поведение металлов, полупроводников и диэлектриков; связано в основном с концентрацией носителей заряда п и ее температурной зависимостью:
1) в металлах концентрация носителей заряда п велика и неизменна при изменении температуры. Единственной переменной величиной, входящей в уравнение для а, является и, А поскольку и. слабо уменьшается с температурой, то также уменьшается и о в этих условиях;
2) в полупроводниках и диэлектриках п обычно экспоненциально растет с температурой. Этот стремительный рост п вносит более существенный вклад в изменение проводимости а, чем уменьшение (1. Следовательно, а быстро увеличивается с
ПОВЫШениеМ Температуры. В ЭТОМ СМЫСЛе ДИЭЛеКТрИКИ МОЖНО'
рассматривать как некоторый предельный случай, так как при обычных температурах величина п в этих веществах крайне мала. При высоких температурах проводимость отдельных диэлектриков достигает полупроводникового уровня из-за роста п. Наблюдается и обратное — при низких температурах некоторые полупроводники становятся диэлектриками.
Полупроводниковые материалы можно разделить на две группы. Возможна следующая классификация полупроводников.
1) Элементарные полупроводники. Это например такие полупроводники, как кремний и германий, которые можно назвать классическими. Элементы Э1 и ве находятся в IV группе периодической системы. С ростом атомного номера элементов IV группы происходит переход от изоляторов (алмаз) к полупроводникам (81, ве, серое олово) и далее к металлам (белое олово, РЬ). За исключением белого олова и свинца, все эти вещества имеют структуру алмаза, в которой каждый атом находится в тетрагональном окружении других атомов. Тетраэдры сочленяются друг с другом общими вершинами и образуют жесткий трехмерный каркас кубической симметрии (гл. 7). По-видимому, структура алмаза особенно выгодна для проявления полупроводниковых свойств.
2) Полупроводниковые соединения, например многие неорганические и некоторые органические соединения. Хорошо известны неорганические полупроводники типа АШВУ. В состав
14.2. Электронная структура твердых тел. Зонная теория
61
этих соединений входят элементы III и V групп периодической системы в молярном отношении 1:1. Некоторые из этих веществ изоэлектронны с находящимся между ними элементом IV группы. Например ОаАэ и 1пБЬ изоэлектронны соответственно с германием и оловом. Другие соединения, имеющие электронную концентрацию, отличную от концентрации элементов IV группы, например ОаР, также являются полупроводниками. Большинство соединений АШВУ имеют структуру цинковой обманки (разд. 7.1), которая родственна структуре алмаза.
Известны и другие классы соединений — оксиды, сульфиды и т. п.'—имеющие различные кристаллические структуры, которые также являются полупроводниками. Некоторые из них будут рассмотрены позже.
