Σπίτι › Σασί › Ημιαγωγικές ουσίες. Ημιαγωγοί - υλικά προετοιμασίας για την Ενιαία Κρατική Εξέταση στη Φυσική

Ημιαγωγικές ουσίες. Ημιαγωγοί - υλικά προετοιμασίας για την Ενιαία Κρατική Εξέταση στη Φυσική

Μαζί με τους αγωγούς του ηλεκτρισμού, υπάρχουν πολλές ουσίες στη φύση που έχουν σημαντικά χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τους μεταλλικούς αγωγούς. Οι ουσίες αυτού του είδους ονομάζονται ημιαγωγοί.

Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν: ορισμένα χημικά στοιχεία, όπως σελήνιο, πυρίτιο και γερμάνιο, ενώσεις θείου, όπως θειούχο θάλλιο, θειούχο κάδμιο, θειούχο άργυρο, καρβίδια, όπως το καρβορούνδιο,άνθρακας (διαμάντι),βόριο, γκρίζος κασσίτερος, φώσφορος, αντιμόνιο, αρσενικό, τελλούριο, ιώδιο και μια σειρά από ενώσεις που περιλαμβάνουν τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της 4ης - 7ης ομάδας του περιοδικού συστήματος. Υπάρχουν και οργανικοί ημιαγωγοί.

Η φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού εξαρτάται από τον τύπο των ακαθαρσιών που υπάρχουν στο βασικό υλικό του ημιαγωγού και από την τεχνολογία κατασκευής των εξαρτημάτων του.

Ημιαγωγός είναι μια ουσία με 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, η οποία, σύμφωνα με αυτές τις ιδιότητες, βρίσκεται μεταξύ ενός αγωγού και ενός μονωτή. Η διαφορά μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών σύμφωνα με τη θεωρία ζωνών είναι η εξής: στους καθαρούς ημιαγωγούς και στους ηλεκτρονικούς μονωτές, υπάρχει ένα ενεργειακό κενό μεταξύ της γεμάτης ζώνης (σθένος) και της ζώνης αγωγιμότητας.

Γιατί οι ημιαγωγοί μεταφέρουν ρεύμα;

Ένας ημιαγωγός έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα εάν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια στα άτομα ακαθαρσίας του είναι σχετικά ασθενώς συνδεδεμένα με τους πυρήνες αυτών των ατόμων. Εάν δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο σε έναν ημιαγωγό αυτού του είδους, τότε, υπό την επίδραση των δυνάμεων αυτού του πεδίου, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ακαθαρσιών ατόμων του ημιαγωγού θα εγκαταλείψουν τα όρια των ατόμων τους και θα μετατραπούν σε ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα δημιουργήσουν ένα ρεύμα ηλεκτρικής αγωγής στον ημιαγωγό υπό την επίδραση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου. Κατά συνέπεια, η φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στους ημιαγωγούς με ηλεκτρονική αγωγιμότητα είναι ίδια με αυτή των μεταλλικών αγωγών. Αλλά επειδή υπάρχουν πολλές φορές λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε μια μονάδα όγκου ενός ημιαγωγού από ό,τι σε μια μονάδα όγκου ενός μεταλλικού αγωγού, είναι φυσικό ότι, υπό όλες τις άλλες ίδιες συνθήκες, το ρεύμα σε έναν ημιαγωγό θα είναι πολλές φορές μικρότερο από ό,τι σε έναν μεταλλικός αγωγός.

Ένας ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα «οπής» εάν τα άτομα ακαθαρσίας του όχι μόνο δεν εγκαταλείπουν τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια, αλλά, αντίθετα, τείνουν να συλλαμβάνουν ηλεκτρόνια από τα άτομα της κύριας ουσίας του ημιαγωγού. Εάν ένα άτομο ακαθαρσίας παίρνει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο της κύριας ουσίας, τότε στο τελευταίο σχηματίζεται κάτι σαν ελεύθερος χώρος για ένα ηλεκτρόνιο - μια "τρύπα".

Ένα άτομο ημιαγωγού που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται «ηλεκτρονική οπή» ή απλά «τρύπα». Εάν η «τρύπα» γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο που μεταφέρεται από ένα γειτονικό άτομο, τότε εξαλείφεται και το άτομο γίνεται ηλεκτρικά ουδέτερο και η «τρύπα» μετατοπίζεται στο γειτονικό άτομο που έχει χάσει το ηλεκτρόνιο. Κατά συνέπεια, εάν ένας ημιαγωγός με αγωγιμότητα «οπής» εκτεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο, τότε οι «ηλεκτρονικές οπές» θα μετατοπιστούν προς την κατεύθυνση αυτού του πεδίου.

Προκατάληψη Οι «ηλεκτρονικές οπές» προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι παρόμοια με την κίνηση των θετικών ηλεκτρικών φορτίων στο πεδίο και επομένως αντιπροσωπεύουν το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ημιαγωγό.

Οι ημιαγωγοί δεν μπορούν να διακριθούν αυστηρά από τον μηχανισμό της ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας, αφού, μαζί μεΜε αγωγιμότητα «οπής», ένας δεδομένος ημιαγωγός μπορεί, στον ένα ή τον άλλο βαθμό, να έχει επίσης ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από:

τύπος αγωγιμότητας (ηλεκτρονικός - τύπος n, τρύπα - τύπος p).

αντίσταση?

διάρκεια ζωής φορέων φορτίου (μειοψηφία) ή μήκος διάχυσης, ρυθμός ανασυνδυασμού επιφάνειας.

πυκνότητα εξάρθρωσης.

Το πυρίτιο είναι το πιο κοινό υλικό ημιαγωγών

Η θερμοκρασία έχει σημαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών. Μια αύξηση σε αυτό οδηγεί κυρίως σε μείωση της ειδικής αντίστασης και αντίστροφα, δηλαδή οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από την παρουσία αρνητικού . Κοντά στο απόλυτο μηδέν, ένας ημιαγωγός γίνεται μονωτής.

Οι ημιαγωγοί αποτελούν τη βάση πολλών συσκευών. Στις περισσότερες περιπτώσεις πρέπει να λαμβάνονται με τη μορφή μονοκρυστάλλων. Για να προσδώσουν συγκεκριμένες ιδιότητες, οι ημιαγωγοί εμποτίζονται με διάφορες ακαθαρσίες. Αυξημένες απαιτήσεις τίθενται για την καθαρότητα των πηγών ημιαγωγών υλικών.

Οι ημιαγωγοί έχουν βρει την ευρύτερη εφαρμογή στη σύγχρονη τεχνολογία· είχαν πολύ ισχυρή επιρροή στην τεχνική πρόοδο. Χάρη σε αυτά, είναι δυνατό να μειωθεί σημαντικά το βάρος και οι διαστάσεις των ηλεκτρονικών συσκευών. Η ανάπτυξη όλων των τομέων της ηλεκτρονικής οδηγεί στη δημιουργία και βελτίωση ενός μεγάλου αριθμού ποικίλου εξοπλισμού που βασίζεται σε συσκευές ημιαγωγών. Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμεύουν ως βάση για μικροκυψέλες, μικρομονάδες, κυκλώματα στερεάς κατάστασης κ.λπ.

Οι ηλεκτρονικές συσκευές που βασίζονται σε συσκευές ημιαγωγών είναι πρακτικά χωρίς αδράνεια. Μια προσεκτικά κατασκευασμένη και καλά σφραγισμένη συσκευή ημιαγωγών μπορεί να διαρκέσει δεκάδες χιλιάδες ώρες. Ωστόσο, ορισμένα υλικά ημιαγωγών έχουν χαμηλό όριο θερμοκρασίας (για παράδειγμα, γερμάνιο), αλλά όχι πολύ περίπλοκη αντιστάθμιση θερμοκρασίας ή η αντικατάσταση του κύριου υλικού της συσκευής με άλλο (για παράδειγμα, πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου) εξαλείφει σε μεγάλο βαθμό αυτό το μειονέκτημα. Η βελτίωση της τεχνολογίας κατασκευής συσκευών ημιαγωγών οδηγεί σε μείωση της υπάρχουσας διασποράς και αστάθεια των παραμέτρων.

Η επαφή ημιαγωγού-μετάλλου και η διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής (n-p junction) που δημιουργούνται στους ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται στην κατασκευή διόδων ημιαγωγών. Διπλοί σύνδεσμοι (p-n-p ή n-p-n) - τρανζίστορ και θυρίστορ. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για διόρθωση, παραγωγή και ενίσχυση ηλεκτρικών σημάτων.

Με βάση τις φωτοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών, δημιουργούνται φωτοαντιστάσεις, φωτοδίοδοι και φωτοτρανζίστορ. Ο ημιαγωγός χρησιμεύει ως ενεργό μέρος των γεννητριών ταλαντώσεων (ενισχυτές). Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσω μιας διασταύρωσης pn προς τα εμπρός, οι φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια και οπές - ανασυνδυάζονται με την εκπομπή φωτονίων, η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία LED.

Οι θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία θερμικών αντιστάσεων ημιαγωγών, θερμοστοιχείων ημιαγωγών, θερμοστοιχείων και θερμοηλεκτρικών γεννητριών και θερμοηλεκτρικής ψύξης ημιαγωγών, με βάση το φαινόμενο Peltier, - θερμοηλεκτρικά ψυγεία και θερμοηλεκτρικά ψυγεία και θερμοηλεκτρικές γεννήτριες.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς θερμικής και ηλιακής ενέργειας χωρίς μηχανή σε ηλεκτρική ενέργεια - θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και φωτοηλεκτρικούς μετατροπείς (ηλιακές μπαταρίες).

Η μηχανική καταπόνηση που ασκείται σε έναν ημιαγωγό αλλάζει την ηλεκτρική του αντίσταση (η επίδραση είναι ισχυρότερη από ό,τι στα μέταλλα), η οποία ήταν η βάση του μετρητή καταπόνησης ημιαγωγών.

Οι συσκευές ημιαγωγών έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες στην παγκόσμια πρακτική, φέρνοντας επανάσταση στα ηλεκτρονικά· χρησιμεύουν ως βάση για την ανάπτυξη και την παραγωγή:

εξοπλισμός μέτρησης, υπολογιστές,

εξοπλισμός για όλους τους τύπους επικοινωνιών και μεταφορών,

για την αυτοματοποίηση διαδικασιών στη βιομηχανία,

συσκευές για επιστημονική έρευνα,

τεχνολογία πυραύλων,

ιατρικός εξοπλισμός

άλλες ηλεκτρονικές συσκευές και όργανα.

Η χρήση συσκευών ημιαγωγών καθιστά δυνατή τη δημιουργία νέου εξοπλισμού και τη βελτίωση των παλαιών, πράγμα που σημαίνει μείωση των διαστάσεων, του βάρους, της κατανάλωσης ενέργειας και επομένως μείωση της παραγωγής θερμότητας στο κύκλωμα, αύξηση της αντοχής, άμεση ετοιμότητα για δράση , και μπορεί να αυξήσει τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία των ηλεκτρονικών συσκευών.

Ιστορικές πληροφορίες

Οι ημιαγωγοί, ως ειδική κατηγορία ουσιών, είναι γνωστοί από τα τέλη του 19ου αιώνα, μόνο η ανάπτυξη της θεωρίας στερεάς κατάστασης κατέστησε δυνατή την κατανόηση των χαρακτηριστικών τους πολύ πριν ανακαλυφθούν:

1. επίδραση της ανόρθωσης ρεύματος στην επαφή μετάλλου-ημιαγωγού

2. φωτοαγωγιμότητα.

Οι πρώτες συσκευές που βασίστηκαν σε αυτές κατασκευάστηκαν.

Ο O. V. Losev (1923) απέδειξε τη δυνατότητα χρήσης επαφών ημιαγωγού-μετάλλου για την ενίσχυση και τη δημιουργία ταλαντώσεων (ανιχνευτής κρυστάλλων). Ωστόσο, τα επόμενα χρόνια, οι ανιχνευτές κρυστάλλων αντικαταστάθηκαν από σωλήνες ηλεκτρονίων και μόνο στις αρχές της δεκαετίας του '50, με την ανακάλυψη των τρανζίστορ (ΗΠΑ 1949), άρχισε η ευρεία χρήση ημιαγωγών (κυρίως γερμανίου και πυριτίου στα ραδιοηλεκτρονικά). Ταυτόχρονα, ξεκίνησε εντατική μελέτη των ιδιοτήτων των ημιαγωγών, η οποία διευκολύνθηκε από τη βελτίωση των μεθόδων καθαρισμού κρυστάλλων και ντόπινγκ (εισαγωγή ορισμένων ακαθαρσιών στον ημιαγωγό).

Στην ΕΣΣΔ, η μελέτη των ημιαγωγών ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του '20 υπό την ηγεσία του A.F. Ioffe στο Φυσικο-Τεχνικό Ινστιτούτο της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ.

Το ενδιαφέρον για τις οπτικές ιδιότητες των ημιαγωγών έχει αυξηθεί λόγω της ανακάλυψης διεγερμένης εκπομπής σε ημιαγωγούς, η οποία οδήγησε στη δημιουργία λέιζερ ημιαγωγών, πρώτα στη διασταύρωση p-n και στη συνέχεια στις ετεροσυνδέσεις.

Πρόσφατα, οι συσκευές που βασίζονται στη δράση ημιαγωγών έχουν γίνει πιο διαδεδομένες. Αυτές οι ουσίες άρχισαν να μελετώνται σχετικά πρόσφατα, αλλά ούτε η σύγχρονη ηλεκτρονική, ούτε η ιατρική, ούτε πολλές άλλες επιστήμες μπορούν να κάνουν χωρίς αυτές.

Ιδιότητες ημιαγωγών

Ημιαγωγοί- μια ευρεία κατηγορία ουσιών, που χαρακτηρίζονται από τιμές ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας d, που βρίσκονται στο εύρος μεταξύ της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων και των καλών διηλεκτρικών, δηλαδή, αυτές οι ουσίες δεν μπορούν να ταξινομηθούν ως διηλεκτρικές (καθώς δεν είναι καλές μονωτές) ή μέταλλα (δεν είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος). Οι ημιαγωγοί, για παράδειγμα, περιλαμβάνουν ουσίες όπως το γερμάνιο, το πυρίτιο, το σελήνιο, το τελλούριο, καθώς και ορισμένα οξείδια, σουλφίδια και κράματα μετάλλων.

Οι ημιαγωγοί δεν έχουν τραβήξει πολύ την προσοχή των επιστημόνων και των μηχανικών εδώ και πολύ καιρό. Ένας από τους πρώτους που ξεκίνησε συστηματική έρευνα για τις φυσικές ιδιότητες των ημιαγωγών ήταν ο εξαιρετικός Σοβιετικός φυσικός Abram Fedorovich Ioffe. Ανακάλυψε ότι οι ημιαγωγοί είναι μια ειδική κατηγορία κρυστάλλων με πολλές αξιοσημείωτες ιδιότητες:

1) Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών μειώνεται, σε αντίθεση με τα μέταλλα, των οποίων η ειδική αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, κατά κανόνα, σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αυτή η αύξηση εμφανίζεται εκθετικά:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

όπου ea είναι η λεγόμενη ενέργεια ενεργοποίησης αγωγιμότητας,

dо - συντελεστής ανάλογα με τη θερμοκρασία

Η ειδική αντίσταση των κρυστάλλων ημιαγωγών μπορεί επίσης να μειωθεί όταν εκτίθενται σε φως ή ισχυρά ηλεκτρονικά πεδία.

2) Η ιδιότητα της μονόδρομης αγωγιμότητας της επαφής δύο ημιαγωγών. Είναι αυτή η ιδιότητα που χρησιμοποιείται στη δημιουργία διαφόρων συσκευών ημιαγωγών: διόδους, τρανζίστορ, θυρίστορ κ.λπ.

3) Οι επαφές διαφόρων ημιαγωγών υπό ορισμένες συνθήκες όταν φωτίζονται ή θερμαίνονται είναι πηγές φωτο-ε. δ.σ. ή, κατά συνέπεια, θερμο-ε. δ.σ.

Η δομή των ημιαγωγών και η αρχή της λειτουργίας τους.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι ημιαγωγοί είναι μια ειδική κατηγορία κρυστάλλων. Τα ηλεκτρόνια σθένους σχηματίζουν κανονικούς ομοιοπολικούς δεσμούς, που φαίνονται σχηματικά στο Σχ. 1. Ένας τέτοιος ιδανικός ημιαγωγός δεν άγει καθόλου ηλεκτρικό ρεύμα (ελλείψει φωτισμού και έκθεσης σε ακτινοβολία).

Ακριβώς όπως στους μη αγωγούς, τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς συνδέονται με άτομα, αλλά αυτός ο δεσμός είναι πολύ αδύναμος. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει

(Τ>0 Κ), υπό φωτισμό ή ακτινοβολία, μπορεί να σπάσουν ηλεκτρονικοί δεσμοί, γεγονός που θα οδηγήσει στον διαχωρισμό ενός ηλεκτρονίου από το άτομο (Εικ. 2). Ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο είναι φορέας ρεύματος. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του ημιαγωγού, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας, επομένως, τόσο μικρότερη είναι η ειδική αντίσταση. Έτσι, η μείωση της αντίστασης των ημιαγωγών όταν θερμαίνονται οφείλεται σε αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων ρεύματος σε αυτό.

Σε αντίθεση με τους αγωγούς, οι φορείς ρεύματος σε ημιαγωγικές ουσίες μπορεί να είναι όχι μόνο ηλεκτρόνια, αλλά και «οπές». Όταν ένα από τα άτομα ημιαγωγών χάνει ένα ηλεκτρόνιο, ένας κενός χώρος παραμένει στην τροχιά του - μια «τρύπα»· όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο στον κρύσταλλο, η «τρύπα» ως θετικό φορτίο κινείται προς το διάνυσμα Ε, το οποίο στην πραγματικότητα συμβαίνει λόγω στο σπάσιμο κάποιων δεσμών και στην αποκατάσταση άλλων. Μια «τρύπα» μπορεί συμβατικά να θεωρηθεί ένα σωματίδιο που φέρει θετικό φορτίο.

Αγωγιμότητα ακαθαρσιών .

Ο ίδιος ημιαγωγός έχει είτε ηλεκτρονικός,ή τρύπααγωγιμότητα - αυτό εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των εισαγόμενων ακαθαρσιών. Οι ακαθαρσίες έχουν ισχυρή επίδραση στην ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών:

για παράδειγμα, τα χιλιοστά του τοις εκατό των ακαθαρσιών μπορεί να είναι εκατοντάδες χιλιάδες φορές

μειώνουν την αντίστασή τους. Το γεγονός αυτό, αφενός, υποδηλώνει τη δυνατότητα αλλαγής των ιδιοτήτων των ημιαγωγών, αφετέρου, υποδηλώνει τις δυσκολίες της τεχνολογίας στην κατασκευή ημιαγωγών υλικών με δεδομένα χαρακτηριστικά.

Κατά την εξέταση του μηχανισμού της επίδρασης των ακαθαρσιών στην ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη δύο περιπτώσεις:

Ηλεκτρονική αγωγιμότητα .

Η προσθήκη ακαθαρσιών πλούσιων σε ηλεκτρόνια στο γερμάνιο, όπως αρσενικό ή αντιμόνιο, καθιστά δυνατή τη λήψη ενός ημιαγωγού με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή ημιαγωγός τύπου n (από τη λατινική λέξη "negativus" - "αρνητικό").

Στο Σχ. Το σχήμα 3α δείχνει σχηματικά την εικόνα των δεσμών ηλεκτρονίων στους 0 Κ. Ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους του αρσενικού δεν συμμετέχει σε δεσμούς με άλλα άτομα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αποσπαστεί από το άτομο (βλ. Εικ. 3β) και έτσι να δημιουργήσει ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Οι ακαθαρσίες που δημιουργούν τέτοια ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζονται δότες.

Αγωγιμότητα οπών

Η προσθήκη αλουμινίου, γαλλίου ή ινδίου στο ίδιο γερμάνιο δημιουργεί περίσσεια οπών στον κρύσταλλο. Τότε ο ημιαγωγός θα έχει αγωγιμότητα οπών - ημιαγωγός τύπου p.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της ακαθαρσίας της οπής δημιουργείται από άτομα που έχουν λιγότερα ηλεκτρόνια σθένους από τα κύρια άτομα. Στο Σχ. Το σχήμα 4 δείχνει σχηματικά τις ηλεκτρονικές συνδέσεις του γερμανίου με μια πρόσμειξη βορίου. Στο 0 K, όλοι οι δεσμοί είναι πλήρεις, μόνο στο βόριο λείπει ένας δεσμός (βλ. Εικ. 4α). Ωστόσο, με την αύξηση της θερμοκρασίας, το βόριο μπορεί να κορεστεί τους δεσμούς του σε βάρος των ηλεκτρονίων από γειτονικά άτομα (βλ. Εικ. 4β).

Τέτοιες ακαθαρσίες ονομάζονται προσμίξεις δέκτη.

Υγροί ημιαγωγοί

Η τήξη πολλών κρυσταλλικών ημιαγωγών συνοδεύεται από μια απότομη αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους Q σε τιμές τυπικές για τα μέταλλα (βλ. Εικ. 5α). Ωστόσο, ένας αριθμός ημιαγωγών (για παράδειγμα, HgSe, HgTe, κ.λπ.) χαρακτηρίζεται από τη διατήρηση ή μείωση του Q κατά τη διάρκεια της τήξης και οι ημιαγωγοί διατηρούν τη φύση της εξάρτησης από τη θερμοκρασία του Q (βλ. Εικ. 5β). Μερικοί υγροί ημιαγωγοί, με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, χάνουν τις ημιαγωγικές τους ιδιότητες και αποκτούν μεταλλικές ιδιότητες (για παράδειγμα, κράματα Te - Se και κράματα Te). Τα πλούσια σε Se κράματα Te - Se συμπεριφέρονται διαφορετικά· η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα είναι καθαρά ημιαγωγικής φύσης.

Στους υγρούς ημιαγωγούς, ο ρόλος του κενού ζώνης διαδραματίζεται από την ενεργειακή περιοχή κοντά στην ελάχιστη πυκνότητα των καταστάσεων στο ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων.

Εάν το ελάχιστο είναι αρκετά βαθύ, μια ζώνη σχεδόν εντοπισμένων καταστάσεων φορέων φορτίου με χαμηλή κινητικότητα (pseudogap) εμφανίζεται κοντά της. Εάν τα ψευδοκενά «καταρρεύσουν» καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, ο υγρός ημιαγωγός μετατρέπεται σε μέταλλο.

Χρήση ημιαγωγών.

Οι πιο σημαντικές συσκευές ημιαγωγών για την τεχνολογία - δίοδοι, τρανζίστορ, θυρίστορ βασίζονται στη χρήση αξιόλογων υλικών με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή αγωγιμότητα οπών.

Η ευρεία χρήση των ημιαγωγών ξεκίνησε σχετικά πρόσφατα και τώρα έχουν γίνει πολύ ευρέως χρησιμοποιούμενες. Μετατρέπουν το φως και τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και, αντίθετα, δημιουργούν θερμότητα και κρύο χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια. Οι συσκευές ημιαγωγών μπορούν να βρεθούν σε έναν συμβατικό ραδιοφωνικό δέκτη και σε μια κβαντική γεννήτρια - ένα λέιζερ, σε μια μικροσκοπική ατομική μπαταρία και σε μικροεπεξεργαστές.

Οι μηχανικοί δεν μπορούν να κάνουν χωρίς ανορθωτές ημιαγωγών,

διακόπτες και ενισχυτές. Η αντικατάσταση του εξοπλισμού σωλήνων με εξοπλισμό ημιαγωγών κατέστησε δυνατή τη δεκαπλάσια μείωση του μεγέθους και του βάρους των ηλεκτρονικών συσκευών, τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη δραματική αύξηση της αξιοπιστίας.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία. Η δράση μιας διόδου ημιαγωγών βασίζεται σε διαφορετική αγωγιμότητα (τύπου p και n). Όταν ημιαγωγοί με p- και n-αγωγιμότητα έρχονται σε επαφή με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ρεύματος, δημιουργείται ένα στρώμα φραγμού στο κύκλωμα (Εικ. 19.4) - ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα, το πεδίο του οποίου εμποδίζει τη μεταφορά φορέων φορτίου. Αυτή είναι η βάση της δράσης της διόδου ημιαγωγών, η οποία χρησιμεύει για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι ανορθωτές σεληνίου ήταν από τους πρώτους που έγιναν ευρέως διαδεδομένοι.

Εκτός από τις διόδους, οι τρίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη ραδιομηχανική - τρανζίστορ στα οποία υπάρχουν δύο σύνδεσμοι p-n: είτε p-n-p είτε n-p-n.

Η ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία των ημιαγωγών χρησιμοποιείται σε θερμίστορ, συσκευές υψηλής ευαισθησίας για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.

Μεταξύ των πολλών εφαρμογών των ημιαγωγών είναι επίσης τα ηλιακά κύτταρα, η λειτουργία των οποίων βασίζεται στη φωτοαγωγιμότητα των ημιαγωγών - την ικανότητα αλλαγής αντίστασης υπό την επίδραση του φωτός (φαινόμενο παρόμοιο με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο εμφανίζεται εξ ολοκλήρου μέσα σε μια στερεά ύλη) .

Μαγνητικές δυνάμεις

Οι μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών ήταν γνωστές από την αρχαιότητα. Περιγράφεται από τους αρχαίους επιστήμονες ως πέτρα που προσελκύει σίδηρο, είναι ένας φυσικός μαγνήτης - ένα ορυκτό που βρίσκεται αρκετά συχνά στη φύση. Αποτελείται από ενώσεις σιδήρου (FeO - 31% και Fe 2 O 3 - 69%). Ήδη το 1600 δημοσιεύτηκε το έργο του V. Gilbert «On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet of the Earth», το οποίο περιείχε μια γενίκευση ενός μεγάλου αριθμού πειραματικών γεγονότων. Οι κυριότεροι ήταν οι εξής:

1) ένας μαγνήτης έχει δύο πόλους - βόρειο και νότιο, διαφορετικούς στις ιδιότητές τους,

2) σε αντίθεση με τους πόλους προσελκύουν, όπως οι πόλοι απωθούν.

3) η μαγνητική βελόνα βρίσκεται στο διάστημα με συγκεκριμένο τρόπο, δείχνοντας από βορρά προς νότο.

4) είναι αδύνατο να αποκτήσετε μαγνήτη με έναν πόλο.

5) Η γη είναι ένας μεγάλος μαγνήτης.

Η φύση των μαγνητικών φαινομένων αποκαλύφθηκε μόνο αφού διαπιστώθηκαν τα πειραματικά δεδομένα τον 19ο αιώνα ότι το ηλεκτρικό ρεύμα (κινητά φορτία) δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο (R. Erstad, 1820) Η μελέτη της αλληλεπίδρασης των αγωγών με τα ρεύματα, ως αποτέλεσμα από τα οποία διαπιστώθηκε ότι έλκονται παράλληλα ρεύματα ίδιας κατεύθυνσης και τα αντίθετα απωθούνται (J.Amper, I820), οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ κινούμενων ηλεκτρικών φορτίων διαφέρουν από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ σταθερών φορτίων .

Οι πρόσθετες δυνάμεις που προκύπτουν μεταξύ των κινούμενων φορτίων ονομάζονται μαγνητικές δυνάμεις. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ανακαλύφθηκαν από την επίδραση του ρεύματος σε μια μαγνητική βελόνα.

Έτσι, όλες οι μαγνητικές διαταραχές μπορούν να μειωθούν σε ηλεκτρικές και οι μαγνητικές δυνάμεις, όπως έδειξε ο Αϊνστάιν, είναι μια σχετικιστική διόρθωση του νόμου του Κουλόμπ.

Ενώ δεν υπάρχει ρεύμα στους αγωγούς, δεν προκύπτουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, γιατί το θετικό φορτίο των ιόντων του μεταλλικού κρυσταλλικού πλέγματος και το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων κατανέμονται ομοιόμορφα και το συνολικό φορτίο μέσα στον αγωγό είναι μηδέν. Παρουσία ρεύματος, λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων, η μέση απόσταση μεταξύ τους μειώνεται κατά έναν παράγοντα, όπου

V είναι η ταχύτητα μετατόπισης των ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα του φορτίου του ηλεκτρονίου θα αυξηθεί κατά δύο φορές και, επομένως, το φορτίο που προκύπτει δεν θα είναι μηδέν. Αυτό οδηγεί στην αλληλεπίδραση των αγωγών.

Μία από τις κύριες ιδιότητες μιας διασταύρωσης p-n- είναι η ικανότητά της να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα σε μία (προς τα εμπρός) κατεύθυνση χιλιάδες και εκατομμύρια φορές καλύτερα από ό,τι στην αντίστροφη κατεύθυνση.

Οι ημιαγωγοί είναι μια κατηγορία ουσιών που καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ ουσιών που διοχετεύουν καλά ηλεκτρικό ρεύμα (αγωγοί, κυρίως μέταλλα) και ουσιών που πρακτικά δεν φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα (μονωτές ή διηλεκτρικά).

Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από μια ισχυρή εξάρτηση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών τους από τις μικροσκοπικές ποσότητες ακαθαρσιών που περιέχουν. Αλλάζοντας την ποσότητα της ακαθαρσίας σε έναν ημιαγωγό από δέκα εκατομμυριοστά του ποσοστού σε 0,1–1%, μπορείτε να αλλάξετε την αγωγιμότητά τους κατά εκατομμύρια φορές. Μια άλλη σημαντική ιδιότητα των ημιαγωγών είναι ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται σε αυτούς όχι μόνο από αρνητικά φορτία - ηλεκτρόνια, αλλά και από θετικά φορτία ίσου μεγέθους - οπές.

Εάν θεωρήσουμε έναν εξιδανικευμένο κρύσταλλο ημιαγωγών, απολύτως απαλλαγμένο από οποιεσδήποτε ακαθαρσίες, τότε η ικανότητά του να άγει ηλεκτρικό ρεύμα θα καθοριστεί από τη λεγόμενη εγγενή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Τα άτομα σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγών συνδέονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων. Κατά τη διάρκεια των θερμικών δονήσεων των ατόμων, η θερμική ενέργεια κατανέμεται άνισα μεταξύ των ηλεκτρονίων που σχηματίζουν δεσμούς. Τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να λάβουν αρκετή θερμική ενέργεια για να «αποσπαστούν» από το άτομό τους και να μπορούν να κινούνται ελεύθερα στον κρύσταλλο, δηλαδή να γίνουν φορείς δυνητικού ρεύματος (με άλλα λόγια, κινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας). Αυτή η αναχώρηση ηλεκτρονίων παραβιάζει την ηλεκτρική ουδετερότητα του ατόμου· αποκτά θετικό φορτίο ίσο σε μέγεθος με το φορτίο του ηλεκτρονίου που αναχωρεί. Αυτός ο κενός χώρος ονομάζεται τρύπα.

Δεδομένου ότι η κενή θέση μπορεί να καταληφθεί από ένα ηλεκτρόνιο από έναν γειτονικό δεσμό, η οπή μπορεί επίσης να κινηθεί μέσα στον κρύσταλλο και να γίνει θετικός φορέας ρεύματος. Φυσικά, υπό αυτές τις συνθήκες, τα ηλεκτρόνια και οι οπές εμφανίζονται σε ίσες ποσότητες και η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός τέτοιου ιδανικού κρυστάλλου θα καθοριστεί εξίσου τόσο από θετικά όσο και από αρνητικά φορτία.

Εάν στη θέση ενός ατόμου του κύριου ημιαγωγού τοποθετήσουμε ένα άτομο ακαθαρσίας, του οποίου το εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων περιέχει ένα περισσότερο ηλεκτρόνιο από το άτομο του κύριου ημιαγωγού, τότε ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο θα αποδειχθεί περιττό, περιττό για το σχηματισμό διατομικοί δεσμοί στον κρύσταλλο και ασθενώς συνδεδεμένοι με το άτομό του. Δεκάδες φορές λιγότερη ενέργεια είναι αρκετή για να το αποσπάσει από το άτομό του και να το μετατρέψει σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Τέτοιες ακαθαρσίες ονομάζονται δότης, δηλαδή δωρίζοντας ένα «επιπλέον» ηλεκτρόνιο. Το άτομο ακαθαρσίας φορτίζεται, φυσικά, θετικά, αλλά δεν εμφανίζεται καμία τρύπα, αφού μια οπή μπορεί να είναι μόνο ένα κενό ηλεκτρονίου σε έναν μη συμπληρωμένο διατομικό δεσμό και στην περίπτωση αυτή γεμίζονται όλοι οι δεσμοί. Αυτό το θετικό φορτίο παραμένει συνδεδεμένο με το άτομό του, ακίνητο και, ως εκ τούτου, δεν μπορεί να λάβει μέρος στη διαδικασία της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

Η εισαγωγή ακαθαρσιών σε έναν ημιαγωγό, το εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων του οποίου περιέχει λιγότερα ηλεκτρόνια από ό,τι στα άτομα της κύριας ουσίας, οδηγεί στην εμφάνιση μη γεμισμένων δεσμών, δηλαδή οπών. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αυτό το κενό μπορεί να καταληφθεί από ένα ηλεκτρόνιο από έναν γειτονικό δεσμό και η οπή μπορεί να κινείται ελεύθερα σε όλο τον κρύσταλλο. Με άλλα λόγια, η κίνηση μιας οπής είναι μια διαδοχική μετάβαση ηλεκτρονίων από έναν γειτονικό δεσμό σε έναν άλλο. Τέτοιες ακαθαρσίες που «δέχονται» ένα ηλεκτρόνιο ονομάζονται ακαθαρσίες δέκτη.

Εάν μια τάση (όπως υποδεικνύεται στο σχήμα πολικότητας) εφαρμόζεται στη δομή του ημιαγωγού μετάλλου-διηλεκτρικού τύπου n, τότε δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο στο στρώμα κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού, απωθώντας ηλεκτρόνια. Αυτό το στρώμα αποδεικνύεται ότι έχει εξαντληθεί.

Σε έναν ημιαγωγό τύπου p, όπου οι περισσότεροι φορείς είναι θετικά φορτία - οπές, η πολικότητα της τάσης που απώθησε τα ηλεκτρόνια θα προσελκύσει οπές και θα δημιουργήσει ένα εμπλουτισμένο στρώμα με μειωμένη αντίσταση. Μια αλλαγή στην πολικότητα σε αυτή την περίπτωση θα οδηγήσει σε απώθηση οπών και σχηματισμό ενός στρώματος κοντά στην επιφάνεια με αυξημένη αντίσταση.

Με την αύξηση της ποσότητας ακαθαρσιών του ενός ή του άλλου τύπου, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του κρυστάλλου αρχίζει να αποκτά έναν ολοένα και πιο έντονο ηλεκτρονικό χαρακτήρα ή χαρακτήρα οπής. Σύμφωνα με τα πρώτα γράμματα των λατινικών λέξεων negativus και positivus, η ηλεκτρονική ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n και η αγωγιμότητα οπών ονομάζεται τύπος p, υποδεικνύοντας ποιος τύπος φορέων κινητού φορτίου για έναν δεδομένο ημιαγωγό είναι ο κύριος και που είναι το δευτερεύον.

Με ηλεκτρική αγωγιμότητα λόγω της παρουσίας ακαθαρσιών (δηλαδή ακαθαρσίας), υπάρχουν ακόμα 2 τύποι φορέων στον κρύσταλλο: οι κύριοι, που εμφανίζονται κυρίως λόγω της εισαγωγής ακαθαρσιών στον ημιαγωγό και οι μειοψηφικοί, που οφείλουν την εμφάνισή τους στη θερμική διέγερση. Η περιεκτικότητα σε 1 cm 3 (συγκέντρωση) ηλεκτρονίων n και οπών p για δεδομένο ημιαγωγό σε δεδομένη θερμοκρασία είναι σταθερή τιμή: n − p = const. Αυτό σημαίνει ότι, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των φορέων ενός δεδομένου τύπου κατά πολλές φορές λόγω της εισαγωγής ακαθαρσιών, μειώνουμε τη συγκέντρωση των φορέων ενός άλλου τύπου κατά την ίδια ποσότητα. Η επόμενη σημαντική ιδιότητα των ημιαγωγών είναι η ισχυρή ευαισθησία τους στη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέση ενέργεια δόνησης των ατόμων στον κρύσταλλο αυξάνεται και όλο και περισσότεροι δεσμοί θα σπάνε. Όλο και περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών θα εμφανιστούν. Σε επαρκώς υψηλές θερμοκρασίες, η εγγενής (θερμική) αγωγιμότητα μπορεί να είναι ίση με την αγωγιμότητα της ακαθαρσίας ή ακόμη και να την υπερβαίνει σημαντικά. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των ακαθαρσιών, τόσο υψηλότερες θερμοκρασίες θα συμβεί αυτό το φαινόμενο.

Οι δεσμοί μπορούν επίσης να σπάσουν ακτινοβολώντας τον ημιαγωγό, για παράδειγμα, με φως, εάν η ενέργεια των κβαντών φωτός είναι αρκετή για να σπάσει τους δεσμούς. Η ενέργεια της διάσπασης των δεσμών είναι διαφορετική για διαφορετικούς ημιαγωγούς, επομένως αντιδρούν διαφορετικά σε ορισμένα μέρη του φάσματος ακτινοβολίας.

Οι κρύσταλλοι πυριτίου και γερμανίου χρησιμοποιούνται ως κύρια υλικά ημιαγωγών και το βόριο, ο φώσφορος, το ίνδιο, το αρσενικό, το αντιμόνιο και πολλά άλλα στοιχεία που προσδίδουν τις απαραίτητες ιδιότητες στους ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται ως ακαθαρσίες. Η παραγωγή κρυστάλλων ημιαγωγών με δεδομένη περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες είναι μια σύνθετη τεχνολογική διαδικασία, η οποία πραγματοποιείται σε ιδιαίτερα καθαρές συνθήκες χρησιμοποιώντας εξοπλισμό υψηλής ακρίβειας και πολυπλοκότητας.

Όλες οι αναφερόμενες πιο σημαντικές ιδιότητες των ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών ημιαγωγών που είναι πολύ διαφορετικές ως προς τους σκοπούς και τους τομείς εφαρμογής τους. Οι δίοδοι, τα τρανζίστορ, τα θυρίστορ και πολλές άλλες συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία. Η χρήση ημιαγωγών ξεκίνησε σχετικά πρόσφατα και σήμερα είναι δύσκολο να απαριθμήσουμε όλα τα «επαγγέλματά» τους. Μετατρέπουν το φως και τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και, αντίθετα, δημιουργούν θερμότητα και κρύο χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια (βλ. Ηλιακή ενέργεια). Οι συσκευές ημιαγωγών μπορούν να βρεθούν σε έναν συμβατικό ραδιοφωνικό δέκτη και σε μια κβαντική γεννήτρια - ένα λέιζερ, σε μια μικροσκοπική ατομική μπαταρία και σε μικροσκοπικά μπλοκ ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Οι μηχανικοί σήμερα δεν μπορούν να κάνουν χωρίς ανορθωτές ημιαγωγών, διακόπτες και ενισχυτές. Η αντικατάσταση του εξοπλισμού σωλήνων με εξοπλισμό ημιαγωγών κατέστησε δυνατή τη δεκαπλάσια μείωση του μεγέθους και του βάρους των ηλεκτρονικών συσκευών, τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη δραματική αύξηση της αξιοπιστίας.

Μπορείτε να διαβάσετε σχετικά με αυτό στο άρθρο Microelectronics.

Δεν υπάρχει τίποτα το εξαιρετικά σημαντικό ή ενδιαφέρον σε αυτό το άρθρο, απλώς μια απάντηση σε μια απλή ερώτηση για τα «ανδρείκελα»: ποιες είναι οι κύριες ιδιότητες που διακρίνουν τους ημιαγωγούς από τα μέταλλα και τα διηλεκτρικά;

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά (κρύσταλλοι, πολυκρυσταλλικά και άμορφα υλικά, στοιχεία ή ενώσεις) με την ύπαρξη κενού ζώνης (μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους).

Οι ηλεκτρονικοί ημιαγωγοί είναι κρύσταλλοι και άμορφες ουσίες που, ως προς την ηλεκτρική αγωγιμότητα, καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μετάλλων (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) και διηλεκτρικών (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm -1). Ωστόσο, οι δεδομένες οριακές τιμές αγωγιμότητας είναι πολύ αυθαίρετες.

Η θεωρία ζωνών καθιστά δυνατή τη διαμόρφωση ενός κριτηρίου που καθιστά δυνατή τη διαίρεση των στερεών σε δύο κατηγορίες - μέταλλα και ημιαγωγούς (μονωτές). Τα μέταλλα χαρακτηρίζονται από την παρουσία ελεύθερων επιπέδων στη ζώνη σθένους, στην οποία μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια, λαμβάνοντας πρόσθετη ενέργεια, για παράδειγμα, λόγω επιτάχυνσης σε ηλεκτρικό πεδίο. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των μετάλλων είναι ότι στη γείωση, μη διεγερμένη τους κατάσταση (στο 0 K) έχουν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, δηλ. ηλεκτρόνια που συμμετέχουν σε διατεταγμένη κίνηση υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.

Σε ημιαγωγούς και μονωτές στους 0 K, η ζώνη σθένους είναι πλήρως γεμάτη και η ζώνη αγωγιμότητας χωρίζεται από αυτήν με ένα διάκενο ζώνης και δεν περιέχει φορείς. Επομένως, ένα όχι πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο δεν είναι σε θέση να ενισχύσει τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη ζώνη σθένους και να τα μεταφέρει στη ζώνη αγωγιμότητας. Με άλλα λόγια, τέτοιοι κρύσταλλοι στους 0 K θα πρέπει να είναι ιδανικοί μονωτές. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται ή ένας τέτοιος κρύσταλλος ακτινοβολείται, τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν κβάντα θερμικής ή ακτινοβολούμενης ενέργειας επαρκή για να μετακινηθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, εμφανίζονται τρύπες στη ζώνη σθένους, οι οποίες μπορούν επίσης να συμμετέχουν στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Η πιθανότητα ενός ηλεκτρονίου να μεταφερθεί από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ανάλογη με ( -ΜΙσολ/ kT), Οπου μισολ - πλάτος της απαγορευμένης ζώνης. Με μεγάλη αξία μισολ (2-3 eV) αυτή η πιθανότητα αποδεικνύεται πολύ μικρή.

Έτσι, η διαίρεση των ουσιών σε μέταλλα και αμέταλλα έχει μια πολύ σαφή βάση. Αντίθετα, η διαίρεση των μη μετάλλων σε ημιαγωγούς και διηλεκτρικά δεν έχει τέτοια βάση και είναι καθαρά υπό όρους.

Παλαιότερα, πιστευόταν ότι ουσίες με διάκενο ζώνης μπορούσαν να ταξινομηθούν ως διηλεκτρικά μισολ≈ 2÷3 eV, αλλά αργότερα αποδείχθηκε ότι πολλοί από αυτούς είναι τυπικοί ημιαγωγοί. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι, ανάλογα με τη συγκέντρωση ακαθαρσιών ή περίσσειας (πάνω από τη στοιχειομετρική σύνθεση) ατόμων ενός από τα συστατικά, ο ίδιος κρύσταλλος μπορεί να είναι τόσο ημιαγωγός όσο και μονωτής. Αυτό ισχύει, για παράδειγμα, για κρυστάλλους διαμαντιού, οξείδιο του ψευδαργύρου, νιτρίδιο του γαλλίου κ.λπ. Ακόμη και τέτοια τυπικά διηλεκτρικά όπως το τιτανικό βάριο και το στρόντιο, καθώς και το ρουτίλιο, κατά τη μερική αναγωγή, αποκτούν τις ιδιότητες των ημιαγωγών, γεγονός που σχετίζεται με την εμφάνιση περίσσειας ατόμων μετάλλου σε αυτά.

Η διαίρεση των μη μετάλλων σε ημιαγωγούς και διηλεκτρικά έχει επίσης μια ορισμένη σημασία, καθώς είναι γνωστός ένας αριθμός κρυστάλλων των οποίων η ηλεκτρονική αγωγιμότητα δεν μπορεί να αυξηθεί αισθητά είτε με την εισαγωγή ακαθαρσιών είτε με φωτισμό ή θέρμανση. Αυτό οφείλεται είτε στην πολύ μικρή διάρκεια ζωής των φωτοηλεκτρονίων, είτε στην ύπαρξη βαθιών παγίδων στους κρυστάλλους, είτε στην πολύ χαμηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων, δηλ. με εξαιρετικά χαμηλή ταχύτητα μετατόπισής τους σε ηλεκτρικό πεδίο.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση n, το φορτίο e και την κινητικότητα των φορέων φορτίου. Επομένως, η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της αγωγιμότητας διαφόρων υλικών καθορίζεται από τις εξαρτήσεις θερμοκρασίας των υποδεικνυόμενων παραμέτρων. Για όλους τους ηλεκτρονικούς αγωγούς χρέωση μισταθερό και ανεξάρτητο από τη θερμοκρασία. Στα περισσότερα υλικά, η τιμή κινητικότητας συνήθως μειώνεται ελαφρώς με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της αύξησης της έντασης των συγκρούσεων μεταξύ κινούμενων ηλεκτρονίων και φωνονίων, δηλ. λόγω της σκέδασης ηλεκτρονίων από δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. Επομένως, η διαφορετική συμπεριφορά των μετάλλων, των ημιαγωγών και των διηλεκτρικών συνδέεται κυρίως με τη συγκέντρωση του φορέα φορτίου και την εξάρτησή του από τη θερμοκρασία:

1) στα μέταλλα, η συγκέντρωση των φορέων φορτίου n είναι υψηλή και αλλάζει ελαφρώς με τις αλλαγές θερμοκρασίας. Η μεταβλητή που περιλαμβάνεται στην εξίσωση για την ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι η κινητικότητα. Και δεδομένου ότι η κινητικότητα μειώνεται ελαφρώς με τη θερμοκρασία, η ηλεκτρική αγωγιμότητα μειώνεται επίσης.

2) σε ημιαγωγούς και διηλεκτρικά nσυνήθως αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία. Αυτή η ραγδαία ανάπτυξη nέχει τη σημαντικότερη συμβολή στις αλλαγές στην αγωγιμότητα από τη μείωση της κινητικότητας. Επομένως, η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Υπό αυτή την έννοια, τα διηλεκτρικά μπορούν να θεωρηθούν ως μια ορισμένη περιοριστική περίπτωση, αφού σε συνηθισμένες θερμοκρασίες η τιμή nσε αυτές τις ουσίες είναι εξαιρετικά μικρό. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η αγωγιμότητα των μεμονωμένων διηλεκτρικών φτάνει στο επίπεδο των ημιαγωγών λόγω αύξησης n. Το αντίθετο παρατηρείται επίσης - σε χαμηλές θερμοκρασίες, ορισμένοι ημιαγωγοί γίνονται μονωτές.

Βιβλιογραφία