Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов

В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

(7.1)

Здесь n_i - концентрация носителей заряда i-ого сорта, q_i - значение заряда, v_i - скорость заряда. Определяющий параметр в этом выражении - n_i. Как уже упоминалось во второй лекции n_i велико для металлов, т.к. нет энергетического барьера для выхода электронов, n_i - очень мало для диэлектриков, т.к. энергетический барьер (ширина запрещенной зоны) составляет порядка 10 Эв. Полупроводники и слабопроводящие материалы являются промежуточным звеном. Их ширина запрещенной зоны составляет обычно от доли эВ до нескольких эВ. Удельное сопротивление полупроводников меняется в диапазоне от микроом на метр до десятков мегаом на метр.

Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов, (например к германию добавить мышьяк) то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа.

Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т.е. вещества, легко захватывающие электроны, например к германию добавить индий, то создается полупроводник с т.н. " дырочной" проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость. Это как бы эквивалентно появлению в полупроводнике положительных носителей заряда с примерно такими же свойствами, что и электроны, но противоположно заряженных. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи.

Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.

Рассмотрим некоторые характеристики кремния:

Плотность, кГ/м³ 2300

Т плавления, °С 1400

Теплоемкость, кДж/(кг× К) 0.8

Теплопроводность, Вт/(м× К) 167

Энергия активации

(ширина запрещенной зоны), эВ 1, 1

Концентрация собственных носителей, 0.04/мкм³.

Из других видов полупроводников можно отметить арсенид галлия, селен (фоторезисторы).

Электропроводность технических материалов также определяется аналогично выражению (1). Отметим, что электропроводность растет с ростом температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры электроны имеют повышенную энергию и они легче могут ионизоваться.

В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла. Если снова обратиться к формуле (7.1), то скорость V (и подвижность) должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки.