Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2.16. Зависимость постоянной Холла от температуры в твердом н жидком теллуре.
ковалентных связей), а остающиеся незаполненные связи играют роль положительных дырок (ср. § 6). То обстоятельство, что в этой области температур R > О, показывает, что подвижность дырок в жидком теллуре больше подвижности электронов. При дальнейшем повышении температуры начинается разрыв также ковалентных связей, и химическая связь переходит в металлическую. Это приводит к увеличению концентрации электронов, отчего постоянная Холла опять становится отрицательной.
Помимо приведенных примеров, в настоящее время известно большое число других полупроводниковых материалов, сохраняющих в определенном температурном интервале в жидком состоянии полупроводниковые свойства!
в. Стеклообразные полупроводники. К числу полупроводников относится также большая группа стеклообразных химических соединений. Сюда входят двойные соединения Р, As, Sb и Bi с одним
ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА ЭНЕРГИЙ
6Э
из элементов S, Se и Те (халькогениды) и трехкомпонентные соединения этих элементов, такие, как mAs2Se3 •/гАвЛ'ез (где тип — целые числа), и др. Хотя принципиально стеклообразные полупроводники не отличаются от жидких, так как стекла суть сильно переохлажденные жидкости с очень большой вязкостью, эта группа полупроводников является весьма своеобразной и интересной. В таких веществах наблюдаются: типичный дл? полупроводников отрицательный температурный коэффициент сопротивления; характерная спектральная зависимость коэффициента поглощения света (наличие пороговой длины волны, зависящей от состава вещества); фотопроводимость и другие полупроводниковые свойства. Подробное изложение вопроса о некристаллических' полупроводниках читатель может найти в монографиях [3, 4].
Суммируя сказанное выцге, можно заключить, что во многих веществах решающую роль в возникновении полупроводниковых свойств играет ближний порядок. Изложенные представления о важной роли ближнего порядка были высказаны впервые А. Ф, Иоффе и впоследствии развивались многими исследователями,
§ 6. Запрещенная зона энергий
Исходя из особенностей химической связи в полупроводниках, можно непосредственно объяснить существование запрещенной зоны энергий. Рассмотрим в качестве примера атомарные полупроводники подгруппы IVB и будем пока считать, что в них не имеется никаких химических примесей и структурных дефектов. Тогда из рис. 2.10 видно, что при ненарушенных связях в кристалле все валентные электроны каждого атома (два s-электрона и два р-элек-трона) участвуют в образовании ковалентных связей. Поэтому все валентные электроны являются в известном смысле структурными элементами и находятся в связанном состоянии. В таком состоянии (темпераТура абсолютного нуля и отсутствие внешних ионизующих воздействий) кристалл является изолятором.
Для создания подвижных электронов необходим разрыв некоторого количества связей. Это происходит при повышении температуры и под действием подходящих ионизующих излучений (свет, быстрые электроны и т. п.). При разрыве каждой связи возникает один электрон проводимости и одно вакантное квантовое состояние электрона. Наименьшее приращение энергии электрона при его переходе из связанного состояния в состояние проводимости (работа разрыва связи) есть ширина запрещенной зоны энергий Eg.
Если в полупроводнике имеется электрическое поле, то электроны проводимости будут двигаться против поля, и возникнет электронный ток с некоторой плотностью ]„¦ Однако, кроме этого процесса, возможен еще и другой механизм электропроводности. А именно, при нарушенных валентных связях (наличие вакантных
70
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
[ГЛ. II
мест) какой-либо из электронов связи может перейти в одну из этих вакансий. В результате на месте вакансии будет восстановлена нормальная ковалентная связь, но зато появится вакансия в другом месте. На эту вакансию в свою очередь может перейти какой-либо другой из электронов связи и т. д. При этом, разумеется, возможны переходы электронов связи во всех направлениях. Однако переходы в направлении действующей силы (против поля) будут преимущественными, и поэтому возникнет некоторый дополнительный ток j,,, обусловленный перемещением электронов связи. Сами же вакансии будут перемещаться в направлении поля, т. е. так, как двигались бы положительно заряженные частицы. Этот второй механизм электропроводности и есть процесс дырочной проводимости. Сами же вакантные квантовые состояния электронов, локализованные у нарушенных'ковалентных связей и способные перемещаться под действием поля, суть положительные дырки. Из сказанного ясно, что в беспримесном полупроводнике концентрация дырок р всегда равна концентрации электронов проводимости п. В гл. IV будет показано, что именно для дырок (а не для электронов связи) получаются простые уравнения движения, аналогичные уравнениям движения положительно заряженных частиц в классической механике, чем и оправдывается введение этого понятия.
