Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Во всех случаях при разрыве насыщенных и направленных валентных связей будет изменяться ближний порядок и координационное число, что можно обнаружить, например, по изменению» плотности вещества при плавлении.
Таким образом, при разрушении валентных связей мы должны ожидать во всех случаях изменения электропроводности, плотности и других физических свойств, связанных с ближним порядком. Однако эти изменения могут быть не обязательно резкими и скачкообразными. При температуре плавления скачкообразно разрушается лишь кристаллическая решетка, т. е. исчезает дальний порядок. Расположение же ближайших соседей может и не сделаться вполне хаотическим, т. е. ближний порядок может частично сохраниться и в лрдком состоянии, исчезая лишь постепенно при достаточном повышении температуры. Разумеется, при этом координационное число приобретает статистический смысл и может оказаться даже дробным. При сохранении ближнего порядка мы должны ожидать, что вещество и после плавления будет иметь полупроводниковые свойства, т. е. будет жидким полупроводником.
66
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1гл. и
Эти различные случаи действительно наблюдаются на опыте. Примером веществ, у которых ковалентные связи разрушаются сразу же после плавления, могут служить атомные полупроводники подгруппы IVB (структура алмаза) и интерметаллические соединения AU1BV (структура цинковой обманки).
В противоположность этому, многие вещества сохраняют полупроводниковые свойства после плавления. Сюда относятся, например, селен и многие оксиды и сульфиды металлов.
Интересным примером таких веществ является теллур. Кристаллы теллура (как и селена) имеют гексагональную решетку, а атомы расположены в ней в виде спиральных цепочек, изображен-
гораздо дальше) связаны силами Ван-дер-Ваальса. Вследствие такого расположения атомов электрические свойства теллура сильно анизотропны. Так, его удельное сопротивление при 20°С для направления вдоль оси С равно рц = 0,26 Ом-см, в то время как pj_ = 0,51 Ом >см. Теллур является типичным полупроводником.
Зависимость удельного сопротивления теллура от температуры показана на рис. 2.15 *) (направление тока в твердом состоянии перпендикулярно оси С). Ниже температуры плавления температурный коэффициент сопротивления отрицателен, что, как мы знаем, характерно для полупроводников. Однако и после плавления сопротивление продолжает еще уменьшаться при нагревании в некотором интервале температур, т. е. жидкий теллур ведет себя тоже как полупроводник.
Особенно интересной оказывается температурная зависимость постоянной Холла в теллуре. Она показана на рис. 2.16 *). При низких температурах, в области примесной проводимости, теллур
*) Кривые приведены по данным работы Л. S. Epstein, Н. Frihche, Н. Lark-Horovitz, Phys. Rev. 107, 412 (1957).
Рис. 2.14. Структура теллура. а= 4,44 А, с = 5,92 A, d = 2,86 А.
ных на рис. 2.14 (показана половина элементарной ячейки). Одинаково заштрихованные атомы в разных цепочках лежат в одинаковых плоскостях. Каждый третий, атом в одной и трй же цепочке лежит над другим атомом той же цепочки в направлении оси С. Координационное число равно 2. Каждая пара атомов в одной и той же цепочке (расположенных близко) связана парно-электронными ковалентными силами. Разные же цепочки (расположенные
НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
67
обычно имеет дырочную проводимость и постоянная Холла R> О (эта область не показана на рисунке). При повышении температуры, когда проводимость теллура становится собственной, постоянная Холла меняет знак. Это показывает, что подвижность электронов в теллуре больше подвижности дырок. При дальнейшем повышении температуры, приблизительно при 230 °С, постоянная Холла второй раз меняет знак, и вплоть до температуры плавления R > 0, Такое
Рис. 2.15. Зависимость удельного сопротивления теллура от температуры. Смещение скачка сопротивления при охлаждении обусловлено переохлаждением расплава.
двукратное изменение знака R в твердом состоянии является результатом сложного строения энергетических зон теллура. Однако мы на этом обстоятельстве не будем останавливаться, так как оно не связано с существом рассматриваемого сейчас вопроса. При плавлении постоянная Холла резко уменьшается и при нагревании расплава продолжает уменьшаться, оставаясь положительной. При ~575 °С постоянная Холла снова обращается в нуль и в третий раз изменяет знак {R < 0). Последнее обстоятельство представляет особый интерес. В § 1.4 мы видели, что постоянная Холла может обращаться в нуль только в случае смешанной проводимости. Поэтому можно заключить, что в жидком теллуре электропроводность обусловлена и отрицательными электронами, и положительными дырками,
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ [ГЛ. II
НаблюДаемЫе явления приводят к следующим заключениям. Полупроводниковые свойства теллура в твердом состоянии обусловлены ковалентными связями, удерживающими атомы в цепочках. При плавлении разрушаются ван-дер-ваальсовские силы, связывающие цепочки друг с другом, ковалентные же связи в пределах отдельных цепочек при этом в значительной степени еще сохраняются, чем и объясняются полупроводниковые свойства жидкого теллура. Вблизи температуры плавления электроны проводимости возникают за счет ионизации цепочек (разрыва некоторых
