Серед твердих тіл, як добре відомо, можна виділити певні групи речовин, що відрізняються природою сил, що діють між атомами в твердому тілі, і особливостями їх зонної структури, – метали, напівпровідники, діелектрики

У металах переважним типом хімічного звязку між атомами є металевий тип звязку, а в напівпровідниках і діелектриках – ковалентний або ковалентно-іонний та іонно-ковалентний типи звязку відповідно

З точки зору зонної структури1 найбільш важливою особливістю металів є те, що в них верхня енергетична зона, що містить електрони (зона провідності), має незайняті рівні У діелектриках і напівпровідниках при низьких температурах (близьких до 0 K) верхня, цілком заповнена електронами енергетична зона (валентна зона) відокремлена від наступної – порожній – зони дозволених енергій (зона провідності) забороненим ділянкою кінцевої величини Eg

1Зонная структура утвориться всіма можливими електронними станами (рівнями енергії) всіх атомів, що входять до складу твердого тіла Ці стани можуть бути заповнені електронами або вакантні

(Забороненою зоною), в якому енергетичні рівні електронів відсутні Домішки і дефекти в діелектриках і напівпровідниках можуть призводити до появи рівнів у забороненій зоні, але цих станів порівняно мало, так що поняття забороненої зони зберігає сенс

Напівпровідники зазвичай виділяють в самостійну групу речовин Але якщо між металами і діелектриками є якісна різниця в зонної структурі, то між діелектриками і напівпровідниками відмінність тільки кількісне – у величині Eg Практично багато напівпровідники при низьких температурах (поблизу 0 К) поводяться як діелектрики, а багато діелектрики при високій температурі є напівпровідниками Умовно прийнято вважати напівпровідниками речовини, у яких при кімнатній температурі Eg < 2-3 еВ. Однак слід зауважити, що існують і бесщельовиє напівпровідники, у яких Eg = 0 (наприклад, HgTe і HgSe)

Зазвичай метали кристалізуються в компактні структури з ретельним упаковкою атомів, вони мають одночасно високою механічною міцністю і високою пластичністю Напівпровідники мають, як правило, НЕ щільноупакована структуру, вони крихкі аж до вельми високих температур

Метали часто легко утворюють сплави з матеріалами з іншої природою хімічного звязку, напівпровідники – погано

Метали непрозорі для електромагнітних хвиль від найнижчих частот аж до середини ультрафіолетової області спектра для великих частот метали стають прозорими Крім того, вони в цій широкій області спектра (від низьких частот до середини ультрафіолетової області) добре відображають випромінювання Діелектрики та напівпровідники на противагу металам прозорі для електромагнітних хвиль від низьких частот до деякої граничної частоти, характерною для кожного матеріалу і званої основною частотою поглинання чи краєм власного поглинання Як правило, діелектрики і напівпровідники прозорі у видимій області спектра Часто у діелектриків і напівпровідників перед краєм власного поглинання спостерігаються піки примесного і екситонного поглинання

Розглянуті групи матеріалів розрізняються величиною питомого опору ρ (або електропровідності σ) Різниця в величині ρ і дало привід до введення терміна напівпровідники (в сенсі поганий провідник) Поділ матеріалів за значеннями питомого опору (електропровідності) умовно Прийнято відносити до діелектриків

матеріали з ρ = 1010 ÷ 1020 Ом · см (σ = 10-20 ÷ 10-10 Ом-1см-1) до

напівпровідникам матеріали з ρ = 10-4 ÷ 1010 Ом · см (σ = 10-10 ÷

11 9

Рис 11 Характерні температурні залежності питомого опору в металах і напівпровідниках

104 Ом-1см-1) а до металів матеріали з ρ = 10-6 ÷ 10-4 Ом · см (σ = 104 ÷ 106 Ом-1см-1)

У металах основними носіями заряду, як правило, є електрони провідності з енергією, близькою до енергії Фермі EF  в напівпровідниках – електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні в діелектриках – іони

У металах легко виникає електричний струм за рахунок переходу електронів під впливом прикладеного ззовні слабкого електричного поля на вільні верхні рівні в одній енергетичної зоні Більшість властивостей металів обумовлено саме цієї низькою енергією збудження електронів У напівпровідниках слабке електричне поле струму викликати не може (при низьких температурах) Тут для виникнення струму необхідно перекинути частину електронів в незаповнену зону, подолавши при цьому енергетичний зазор Eg

Наявність енергетичного зазору призводить до різної залежності

питомого опору від температури (рис 11) У металів ρ, як правило, зростає з підвищенням температури T в першому наближенні за степеневим законом

ρ= ρ0(1 + αT p),                                     (11)

де ρ0 – питомий опір при 0 К, α – температурний коефіцієнт опору, T – Абсолютна температура, p ∼ 1

У напівпровідників, навпаки, ρs  падає з підвищенням температури за експоненціальним законом

ρs = A exp(Ea/kT ),                                     (12)

де Ea – Енергія активації, k – Постійна Больцмана

Різна температурна залежність питомого опору в металах і напівпровідниках повязана з різною температурної залеж

мостью концентрації носіїв заряду в них У разі одного типу носіїв

1/ρ = σ = neµ,                                     (13)

де n – Концентрація електронів, e – Заряд електрона, μ – рухливість електронів У металах n практично не залежить від температури, і температурна залежність σповязана з температурною залежністю рухливості електронів, яка визначається розсіюванням електронів на будь-яких порушеннях періодичності кристалічної решітки (розсіяння на фононах, розсіювання на дефектах) Крім того, носії можуть розсіюватися один на одному З підвищенням температури рухливість носіїв у металах завжди падає за рахунок їх більш інтенсивного розсіювання тепловими коливаннями атомів (розсіяння на фононах) У напівпровідниках температурна залежність рухливості електронів визначається механізмом розсіювання носіїв заряду [6] Найбільш важливі механізми, що визначають рухливість носіїв у напівпровідниках, – Розсіювання на фононах (див гл 2) і заряджених домішках [6] Температурна залежність, характерна для цих механізмів розсіювання, носить статечної характер, і зазвичай рухливість падає з підвищенням температури (Розсіяння на фононах), як і в металах Однак n в напівпровідниках експоненціально збільшується з підвищенням температури, і це зумовлює експонентну залежність ρ від T

Питомий опір металів і напівпровідників можна змінити за допомогою зовнішніх впливів (механічних, опромінення, освітлення) У металах ці впливи, як правило, зменшують рухливість μ, і питомий опір збільшується, причому абсолютна величина цієї зміни становить від кількох сотих відсотка до десяти відсотків У напівпровідниках μ також змінюється, але, крім того, зазначені дії змінюють концентрацію носіїв заряду, причому ця зміна може досягати декількох порядків Особливо слід виділити високу чутливість напівпровідників до висвітлення, що є основою створення напівпровідникових фотоприймачів

Для напівпровідників характерна висока чутливість физикохимических властивостей до змісту хімічних домішок і структурних дефектів, для металів – істотно менша Дійсно, домішки та структурні дефекти можуть сильно впливати на фізичні властивості напівпровідників, наприклад, на електричні (провідність) Одні типи домішок і структурних дефектів не дають ніякого ефекту або він зовсім незначний, інші можуть привести до збільшення провідності на кілька порядків Дія таких домішок і струк

турних дефектів полягає в основному в тому, що вони змінюють число носіїв заряду Можливість змінювати електричні властивості напівпровідника шляхом точного дозування додаються домішок або шляхом отримання контрольованого числа структурних дефектів має величезне технологічне значення і дає основу для масового виробництва напівпровідникових приладів Більш того, сама вимога високого ступеня чистоти і структурної досконалості стало однією з основних причин того, що широке застосування напівпровідників і розвиток напівпровідникової техніки стали можливі тільки з кінця 40-х років цього століття, хоча перші згадки про напівпровідників відносяться ще до 1833 році

Таким чином, різниця в типах хімічного звязку призводить до різкого відмінності енергетичних і кристалічних структур матеріалів та їх фізичних властивостей

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002