<<
>>

Электропроводность

  Как известно, все вещества состоят из атомов, соединенных химическими связями, во многом определяющими их физико-химические свойства, в частности, электропроводность. Так, например, соль или дерево не проводят ток, являясь идеальными диэлектриками, в то время как металлическая проволока служит превосходным проводником тока.
В чем же секрет высокой электропроводности металлов?

Электропроводность металлов

Атомы в кристаллической решетке металлов упакованы очень плотно - каждый атом может быть непосредственно связан с 12-ю соседними. Поэтому электроны внешних оболочек атомов (валентные электроны) оказываются “свободными” и не участвуют в межатомных взаимодействиях. Эти электроны могут беспорядочно двигаться, образуя так называемый “электронный газ”, в который погружены положительные ионы металла, расположенные в узлах кристаллической решетки

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания в узлах решетки. Свободные электроны движут - ся хаотично и сталкиваются с ионами решетки. Из- за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода.

При комнатной температуре у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера. Но если приложить к металлической проволоке разность потенциалов, то по ней потечет электрический ток, образованный свободными электронами, постоянно присутствующими в кристалле. Именно высокая концентрация свободных электронов и обуславливает высокую электропроводность всех металлов.

Электропроводность полупроводников

Рассмотрим теперь кристаллическую решетку полупроводниковых кристаллов. Для полупроводников характерна ковалентная связь между атомами.

В качестве примера рассмотрим кристалл германия (Ge), имеющий четыре валентных электрона.

Благодаря прочности ковалентной связи электроны в кристалле германия гораздо более локализованы, чем в металлах. Это означает, что в обычных условиях его проводимость на порядки меньше, чем у металлов (из-за отсутствия “свободных” нелокализованных электронов).

Что же будет, если к такому кристаллу приложить разность потенциалов? Даже если при этом в кристалле будет создано очень сильное электрическое поле, оно сможет лишь чуть-чуть деформировать электронные орбиты, но разорвать их полностью окажется не в состоянии. Свободных носителей заряда в кристалле не возникнет, и, следовательно, не будет электрического тока. Таким образом, в “чистом виде” кристалл германия представляет собой обычный диэлектрик.

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Чтобы в кристалле кремния появились свободные носители заряда, необходимо как-то нарушить их стабильные ковалентные связи. Достичь этого можно различными способами.

Во-первых, кристалл можно просто нагреть, придав его электронам дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы разрушить межатомные электронные связи. Предположим, в результате нагревания одна из связей разорвалась, а выбитый со своей орбиты электрон оказался между четырьмя соседними атомами.

Что в это время происходит с разорванной связью?

Появившаяся у нее дополнительная энергия позволяет захватить электрон из соседней связи. В свою очередь, вновь образовавшаяся “дырка” также “отнимает” электрон у соседней связи и т.д. В результате такая неполная связь подобно свободному электрону хаотично перемещается между атомами решетки. Движение разорванных связей происходит за счет перехода электронов, участвующих в соседних связях, а не свободных электронов, так что каждый раз в кристалле появляется очередная неполная связь.

Образно это можно уподобить случаю, когда в заполненном зрительном зале уходит один из зрителей первого ряда.

На его место сразу пересаживается зритель из второго ряда, чье место тут же занимает человек, сидевший в третьем ряду и т.д. При этом пустое место перемещается по залу от первого ряда к последнему противоположно движению зрителей.

Когда разорванная связь перемещается по кристаллу, то движется и созданный ею нескомпенсированный положительный заряд. Это можно рассматривать как появление в полупроводнике положительно заряженных частиц, величина заряда которых равна заряду электрона. Такие квазичастицы (“квази” — значит “почти”, так как это все-таки не частицы) получили название “дырок”.

Свободный электрон и дырка существуют в кристалле не вечно. Спустя некоторое время, составляющее от 10-10 до 10-2 с, свободный электрон и дырка встречаются и рекомбинируют.

При рекомбинации выделяется энергия, которая была затрачена на создание электронно-дырочной пары. Иногда она выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристаллической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется собственной электропроводностью полупроводников.

Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со свободными электронами, поэтому концентрации электронов (n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей) равны:

p = n

Второй способ получить в полупроводнике свободные носители заряда — намеренное введение в кристалл различных примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалентного вещества, например, мышьяк — As или фосфор — P.

Наличие пяти валентных электронов в атоме As говорит о его способности организовывать химические связи с пятью соседними атомами. Но в кристаллической решетке кремния имеется только четыре соседних атома, с которыми можно образовать связи. Поэтому только четыре из пяти валентных электронов мышья- са оказываются включенными в прочные химические связи.

Оставшийся же пятый электрон оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в кристалле создаются дополнительные носители заряда — электроны.

Такие примеси называют донорными. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рождение свободного электрона здесь не сопровождается одновременным появлением дырки, поскольку межатомные связи при этом не разрушаются. В результате концентрация свободных электронов в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок:

p lt; n

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Полупроводники с донорными примесями называют полупроводниками n-типа (от англ. “negative” — отрицательный, по знаку основных носителей заряда) или электронными полупроводниками, а электроны — основными носителями заряда.

Возможна и противоположная ситуация, когда в четырехвалентный полупроводник вводится трехвалентная примесь, например индий - In или алюминий - Al. Для образования связей с четырьмя соседними атомами ему не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом примеси может легко “отобрать” недостающий электрон у соседнего атома кремния. В результате у атома кремния возникает неполная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка). Такие примеси называют акцепторами.

Рождение примесных дырок также не приводит к образованию электронно-дырочных пар, и концентрация дырок в полупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концентрация электронов:

p gt;n

Дырки в данном случае являются основными носителями заряда, а сам полупроводник называют полупроводником p-типа (от англ. positive - положительный) или дырочным полупроводником.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Электропроводность:

  1. Теоретические методы.
  2. ГИПОТЕЗА ПРОФЕССОРА Н. А. КОЗЫРЕВА О ПРИЧИННОСТИ ВРЕМЕНИ
  3. Ш. ОРГАНОПРОЕКЦИЯ
  4. Посвящается Л. В. Ельчанинову ЭМПИРЕЯ И ЭМПИРИЯ Беседа
  5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  6. Морская вода
  7. Пассивирующие грунтовки
  8. Маслорастворимые ингибиторы
  9. ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ ОКРАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ*
  10. Мониторинг поверхностных вод
  11. § 1. Показатели качества природных вод
  12. АТМОСФЕРА
  13. ЭЛЕКТРОЛИЗ В ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРАХ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
  14. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОУСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
  15. Конструкционные и функциональные материалы
  16. Раздел 1. Проблема чистоты материала и вещества