Кристаллические проводники, полупроводники, изоляторы. Зонная теория кристаллов

1.2. Кристаллические проводники, полупроводники, изоляторы. Зонная теория кристаллов.

Все известные кристаллические вещества по величине электропроводимости подразделяются на три класса: проводники, диэлектрики (изоляторы), полупроводники (таблица 1.4).

Таблица 1.4.

Деление кристаллических веществ по величине электропроводимости

Класс кристаллич. Вещества	Электропроводность	Общая характеристика	Примеры
Проводники 1-го рода Диэлектрики Полупроводники		Вещества с металлической кристаллической решёткой, характеризующейся наличием “переносчиков тока” – свободно-перемещающихся электронов Вещества с атомной, молекулярной и реже ионной решёткой, обладающие большой энергией связи между частицами Вещества с атомной или реже ионной решёткой, обладающие более слабой энергией связи между частицами, чем изоляторы; с ростом температуры электропроводимость растет	Fe, Al, Ag, Cu и др. Салмаз, слюда, органич. Полимеры, оксиды и др. Si, Ge, B, серое олово и др.

Различие в величине электропроводимости металлов, полупроводников и диэлектриков объясняет зонная теория строения твёрдого тела, основные положения которой сводятся к следующему. При образовании кристалла из одиночных атомов происходит перекрытие атомных орбиталей (АО) близких энергий и образование молекулярных орбиталей (МО), число которых равно общему числу перекрывающихся АО.

С ростом числа взаимодействующих атомов в кристалле растет число разрешённых молекулярных энергетических уровней, а энергетический порог между ними уменьшается. Образуется непрерывная энергетическая зона, в которой переход электронов с более низкого энергетического уровня на более высокий не требует больших затрат энергии.

Заполнение электронами МО, составляющих непрерывную энергетическую зону, происходит в порядке возрастания энергии, согласно принципу Паули. В кристалле натрия при образовании N MO, только N/2 MO будут заняты электронами, т.к. у атома Na на каждой валентной 3S АО находится по 1 электрону, а на каждой МО будет располагаться по 2е с противоположными спинами.

Совокупность энергетических уровней, занятых валентными электронами, составляет валентную зону.

Энергетические уровни, незаполненные электронами, составляют зону проводимости.

В кристаллах проводников валентная зона находится в непосредственной близости от зоны проводимости и иногда перекрывается с ней. Е – энергетический барьер близок к нулю. (см. рис.1)

Рис1. Расположение энергетических зон в кристаллах:

- зона проводимости; - валентная зона; ­¯DЕ=запрещенная зона

Электроны валентной зоны при их незначительном возбуждении могут легко перейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, что обеспечивает высокую проводимость металлов.

У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большим энергетическим барьером (>4эВ). Валентные электроны не могут попасть в зону проводимости даже при передаче им значительного кол-ва энергии, т.к. электроны не могут свободно перемещаться по всему объёму кристалла, проводимость в кристалле отсутствует.

Ширина запрещённой зоны проводников невелика – от 0.1 до 4эВ. При низких температурах они проявляют свойства изоляторов. С повышением температуры энергия валентных электронов возрастает и становится достаточной для преодоления запрещённой зоны. Происходит перенос электрических зарядов, полупроводник становится проводником.

1.3. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Дефекты реальных кристаллов.

К типичным собственным полупроводникам относятся В, Si, Ge, Te, Sn(серое) и др. на каждом энергетическом уровне валентной зоны у них находится по 2 электрона (см. рис.2)

Рис2. Собственная проводимость

После получения кванта энергии связь между этой парой электронов нарушается и один электрон покидает валентную зону, переходя зону проводимости. В валентной зоне на его месте остаётся вакансия (+)-дырка. При наложении внешнего электрического поля электроны, перешедшие в зону проводимости, перемещаются к А(+), в валентной зоне электрон, находящийся рядом с дыркой (+), занимает её место, появляется новая дырка и т.д. Таким образом, дрейф электрона к А(+) эквивалентен дрейфу дырки к К(-).

Электропроводность, обусловленная одновременным участием в проводимости е и р, называется собственной или электронно-дырочной проводимостью (n – p) типа. Для каждого полупроводника собственная проводимость наступит при разных величинах температур, которые тем выше, чем больше величина запрещённой зоны полупроводника. В настоящее время известно 13 кристаллических модификаций простых веществ обладающих полупроводниковыми свойствами. Они находятся в главных подгруппах 3 – 7 групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

3-я группа – В; 6-я группа – S, Se, Te;

4-я группа – S, Si, Ge, Sn; 7-я группа – I.

5-я группа – P, As, Sb, Bi;

В кристаллах простых веществ этих элементов ковалентный или близкий к нему характер химической связи. Ширина запрещённой зоны зависит от прочности ковалентной связи и структурных особенностей кристаллических решёток полупроводника.

К полупроводникам с узкой запрещённой зоной относятся Sn(серое), Р – чёрный, Те. Заметный перенос электронов в зону проводимости наблюдается уже за счёт лучистой энергии.

К полупроводникам с широкой запрещённой зоной относятся Bi, Si – для осуществления проводимости требуется мощный тепловой импульс; для Салм. - g-облучение.

Получить идеальный кристалл как естественным, так и искусственным путём практически невозможно. Кристаллы, как правило, имеют дефекты в виде структурных нарушений или примесей атомов других элементов. Дефекты кристаллов приводят к усилению дырочной, электронной проводимости или появлению дополнительной ионной проводимости.

Усиление примесной проводимости n-типа происходит, если в кристалле Ge один из атомов замещен атомом Р, на внешнем энергетическом уровне которого находится 5 валентных электронов, 4 из которых образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge, а один электрон находится на свободной орбитали у атома фосфора. При передаче кристаллу Ge небольшой энергии (4,4 кДж/моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и проникает из валентной зоны через запрещённую зону в зону проводимости, т.е. служит переносчиком тока. В целом же кристалл Ge остаётся электронейтральным (рис.3). Примеси в кристаллах, атомы которых способны отдавать электроны, усиливая электронную проводимость, называются донорами. По отношению к Ge, Si – это р-элементы 5-й группы, а также Аu и ряд других элементов.

а) б)

=Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge=

=Ge====P=====Ge= =Ge====Al====Ge=

=Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge=

Рис.3 Примесная проводимость: а) n-типа; б) р-типа

Усиление примесной проводимости р-типа происходит, если в кристалле Ge или Si один из атомов замещён атомом Al, на внешнем энергетическом уровне которого находится только 3 электрона, то при образовании 4-х ковалентных связей с атомами Ge образуется дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решётки, содержащей атом Аl (рис.3).

При передаче кристаллу небольшой энергии (до 5,5 кДж/моль), атом Al захватывает электрон с соседней ковалентной связи, превращаясь в (-) заряженный ион. На месте захваченного электрона образуется (+) дырка.

Если поместить кристалл в электрическое поле, (+) дырка становится носителем заряда, а электрическая нейтральность атома сохраняется.

Примеси в кристаллах полупроводников, атомы которых способны усиливать в них дырочную проводимость, называются акцепторами.

Для кристаллов Ge и Si – это атомы р-элементов 3-й группы, а также Zn, Fe и Mn. Таким образом, варьируя природой и концентрациями примесей в полупроводниках, можно получить заданную электрическую проводимость и тип проводимости. Широкое применение полупроводников привело к созданию сложных полупроводниковых систем на основе химических соединений, чаще всего, имеющих алмазоподобную кристаллическую решётку: AlP, InSb, Cu2O, Al2O3, PbS, Bi2S3, CdSe и др.

Дефекты в реальных кристаллах могут возникать не только в результате примесей атомов других элементов, но и теплового движения частиц, формирующих кристалл. При этом атомы, молекулы или ионы покидают свои места в узлах кристаллической решётки и переходят или в междоузлия или на поверхность кристалла, оставляя в решётке незаполненный узел – вакансию (см. рис 4).

а) о о о О б) о о о о

о о о о о о о

 О

о о о о о о о

о о о о о о о о

Рис.4 усиление проводимости при наличии дефектов кристаллов:

а) выход частиц из узла решётки на поверхность кристалла;

б) выход частиц из узла решётки в междоузлие.

Точечные дефекты в ионных кристаллах существенно влияют на их проводимость. Под действием электрического поля ближайший к вакансии ион переходит на её место, в точке его прежнего местоположения создаётся новая вакансия, занимаемая в свою очередь соседним ионом. Подобные “перескоки” ионов реализуются с большой частотой, обеспечивая ионную проводимость кристалла.