Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
может привести к ложным заключениям.
18
1. Простейшие свойства полупроводников
Различные методы разделения проводимости на электронную и ионную
составляющие, а также трудности интерпретации в случаях, когда такое
разделение невозможно, подробно обсуждены Ларк-Горовицем [4]. До
использования эффекта Холла наличие или отсутствие ионной составляющей
электрического тока устанавливалось в зависимости от того, имеется ли при
этом электролитический перенос вещества или нет. Как мы увидим в
дальнейшем, эффект Холла в случае ионной проводимости пренебрежимо мал по
сравнению с эффектом, связанным с электронной проводимостью. Поэтому
наличие эффекта Холла свидетельствует об электронном характере
проводимости.
Два фактора обусловливают величину электропроводности вещества:
концентрация имеющихся носителей заряда и легкость, с которой они
движутся по кристаллу под действием приложенного электрического поля
(подвижность носителей заряда). Более точное количественное определение
подвижности будет дано в гл. 5 [разд. 1, формула (5.14)1. Здесь отметим
лишь, что величина подвижности, как правило, убывает с ростом
температуры, особенно при более высоких температурах. Этим объясняется
падение электропроводности металлов с ростом температуры. Действительно,
как показывают измерения эффекта Холла на образцах из металлической
фольги, число носителей заряда в этом случае не зависит от температуры. В
случае же полупроводника число носителей быстро увеличивается с ростом
температуры, особенно в области более высоких температур, приводя к
быстрому падению сопротивления. В этом и состоит основное отличие металла
от чистого полупроводника. Мы подчеркиваем слово "чистого", так как
слишком большое количество примесей в полупроводнике может замаскировать
такое отличие. Металл - это проводник с практически постоянным числом
носителей заряда, чистый полупроводник - проводник, в котором число
носителей заряда быстро увеличивается с ростом температуры.
Первым, кто для изучения полупроводников систематически использовал
эффект Холла, был, по-видимому, Бедекер [8], исследовавший соединение
Cul. Подробные исследования большого числа веществ выполнены
Кёнигсбергером [9], который воспользовался для этой цели как эффектом
Холла, так и другими явлениями, упомянутыми выше. Было обнаружено, что
число носителей заряда в полупроводниках намного меньше, чем в металлах,
но подвижность их в полупроводниках обычно несколько больше. Одним из
важных результатов этих работ было установление полупроводникового
характера кремния, селена и теллура. Значительно позже к этому классу
веществ был добавлен германий [101. Кё-нигсбергеру в полной мере удалось
ощутить отмеченное выше различие между металлами и полупроводниками.
Весьма интересное наблюдение было сделано относительно зна-
1. Прсстейшие свойства полупроводников
19
ка носителей заряда. В некоторых случаях результаты опыта указывали на
отрицательный знак носителей, как и следовало ожидать для случая
электронов, но нередко он оказывался н положительным. Более того, при
возрастании температуры знак носителей заряда в одном и том же веществе
иногда менялся с положительного на отрицательный. Положительные значения
коэффициента Холла (т. е. положительный знак носителей заряда) были
обнаружены также у некоторых металлов. Все это привело в свое время к
значительным затруднениям в области теории, которые были ликвидированы
лишь с появлением квантовой механики.
1.1.1. "ИЗБЫТОЧНЫЕ" (ЭЛЕКТРОННЫЕ)
И "ДЕФЕКТНЫЕ" (ДЫРОЧНЫЕ) ПОЛУПРОВОДНИКИ
Большая работа по исследованию множества веществ, отнесенных к разряду
полупроводников, была выполнена между 1910 и 1930 гг. Однако при этом не
было достигнуто сколько-нибудь значительных, фундаментальных результатов.
К 1930 г. интерес к этим веществам сильно возрос, в основном благодаря
применению полупроводников в технике. Для их изучения, как правило,
использовались эффект Холла, электропроводность и термо-э. д. с. и было
показано, что знак эффекта Холла при низких температурах почти всегда
совпадает со знаком термо-э. д. с. Исследуя химические свойства ряда
полупроводниковых соединений, Вагнер 111] обнаружил, что существуют два
отличных друг от друга типа полупроводников - "избыточные" и "дефектные".
Речь шла в основном об оксидах и сульфидах металлов, причем "дефектными"
были образцы, содержащие меньшее количество металла по сравнению со
стехиометрическим, составом (например, окисленные образцы в случае
оксидных соединений). В таких образцах знак термо-э. д. с. и эффекта
Холла при низких температурах был положительным. "Избыточными"
полупроводниками в случае окислов металлов были частично восстановленные
образцы, обладающие некоторым избытком металла. Как правило, знак эффекта
Холла в этом случае был отрицательным во всей области температур. Иногда
в "дефектных" образцах знак эффекта Холла при высоких температурах
становился отрицательным. В настоящее время "избыточные" и "дефектные"
