Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
и, соответственно, положительный заряды и химическая связь оказывается частично ионной и частично гомеополярной. Кристаллы соединений AniBv являются тоже типичными полупроводниками.
Другим примером полупроводниковых кристаллов со смешанной связью может служить закись меди Си20. Она имеет кубическую решетку, элементарная ячейка которой показана на рис. 2.12.
Ячейка содержит 4 атома меди и 2 атома кислорода. Взаимное расположение атомов (число ближайших соседей) в ней можно изобразить плоской схемой рис. 2.13. Каждый атом кислорода непосредственно, связан с четырьмя атомами меди, а каждый атом меди — с двумя атомами кислорода. С другой стороны, каждый атом кислорода имеет 6 валентных электронов, а каждый атом меди — 1,
Рис. 2.11. Элементарная ячейка кристалла сурьмянистого индия InSb.
Рис. 2.12. Элементарная ячейка куприта Си20.
Рие. 2.13. Двумерная схема координации атомов в кристалле Си20: О — кислород, • — медь.
Поэтому на каждую группу Си20 приходится 8 валентных электронов, которые как раз и необходимы для образования четырех гомео-полярных связей между каждым атомом кислорода и непосредственно с ним связанными четырьмя атомами меди (сравнить
64
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
[ГЛ. IX
рис. 2.. 12). Однако и здесь, как и в соединениях AIHBV, электронные облака несимметричны относительно О и Си, и поэтому связи являются смешанными.
Приведенные выше данные, которые являются типичными, позволяют сделать некоторые общие выводы. Мы уже отмечали, что чисто ионные кристаллы являются изоляторами. Напротив, во всех других рассмотренных кристаллах, являющихся полупроводниками, существенную роль играла гомеополярная (ковалентная) связь. Это обстоятельство проявляется при анализе и других полупроводниковых кристаллов. Поэтому можно заключить, что полупроводниковые свойства особенно выражены в тех веществах, в которых преобладающим типом связи является ковалентная связь. При этом, как правило, чем сильнее выражена ионная составляющая сил связи, тем-ближе данное вещество к изоляторам, и наоборот.
§ 5. Некристаллические полупроводники
Рассмотренные выше примеры полупроводников относились к кристаллам различных веществ. В этих случаях мы имеем, во-первых, правильное расположение ближайших соседей, связанных непосредственно с каждым атомом или ионом в решетке (ближний порядок), и, во-вторых, кристаллическую решетку, т. е. правильное периодическое чередование таких групп в большой области кристалла (дальний порядок). Поэтому возникает вопрос, какое именно из этих обстоятельств существенно для возникновения полупроводниковых свойств. Ответ на этот вопрос дает исследование электрических свойств некристаллических веществ. А именно, опыт показывает, что многие вещества в таком состоянии, когда они заведомо не имеют кристаллической решетки, обладают электронной проводимостью (т. е. доля ионной проводимости в них мала) и притом обнаруживают характерные признаки типичных полупроводников. Эти вещества можно разделить на три группы.'
а. Аморфные полупроводники. Примером может служить селен. Он имеет две кристаллические модификации: серый, или гексагональный, селен (который обычно имеют в виду, рассматривая селен как полупроводник) и моноклинный селен, имеющий красный цвет и являющийся изолятором., Однако при быстром охлаждении расплавленного селена можно получить еще аморфную его модификацию, которая только в течение очень длительного времени постепенно переходит в гексагональную модификацию. Исследование электропроводности аморфного селена показывает, что его сопротивление, так же как и у кристаллического селена, уменьшается при повышении температуры, что типично для полупроводников. В аморфном селене наблюдается также изменение сопротивления при освещении (фотопроводимость), что является другим доказательством наличия у него определенной запрещенной зоны энергий.
НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
65
Аморфное состояние у многих веществ можно получить, конденсируя их в вакууме в виде тонких пленок, если температура подложки не превышает некоторого критического значения, разного для различных веществ. При этом оказывается, что тонкие (несколько сот А) аморфные пленки некоторых веществ обладают типичными полупроводниковыми свойствами (положительный температурный коэффициент электропроводности, наличие длинноволнового порога поглощения света, фотопроводимость). Полупроводниковые свойства, кроме селена, наблюдаются в аморфном состоянии у сурьмы, германия, кремния, теллура и некоторых химических соединений.
Приведенные данные показывают, что возникновение полупроводниковых свойств, по крайней мере у некоторых веществ, обусловлено ближним порядком структуры. Дальнейшие подтверждения этого заключения мы находим в исследованиях электропроводности расплавов.
б. Жидкие полупроводники. Если при переходе в жидкое состояние ковалентные связи разрушаются, то возникает химическая связь другого типа. Если свойства атомов и средние расстояния между ними таковы, что все валентные электроны находятся в отщепленном состоянии, то возникает металлическая связь и электропроводность сильно увеличивается при плавлении. При этом электропроводность в жидком состоянии, как у металлов, уменьшается при увеличении температуры (вследствие уменьшения подвижности). Однако может быть и другой случай, когда валентные электроны после разрыва валентных связей окажутся локализованными у отдельных атомов. В этом случае электропроводность может резко уменьшиться при плавлении, а ее температурный коэффициент может быть положительным.
