§ 6. Деление твердых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики

Физические свойства твердых тел, и в первую очередь их электрические свойства, определяются не тем, как образовались зоны, а тем, как они заполнены. С этой точки зрения все кристаллические тела можно разделить на две принципиально различные группы.

Проводники. В первую группу входят тела, в энергетическом спектре которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная частично (рис. 10, а). Как мы видели, частичное заполнение зон наблюдается у щелочных металлов, у которых верхняя зона образуется из незаполненных атомных уровней, а также у кристаллов щелочноземельных элементов, верхняя зона которых благодаря перекрытию заполненных и пустых зон является гибридной. Все тела, входящие в первую группу, являются проводниками.

Рис. 10

Полупроводники и диэлектрики. Во вторую группу объединяются тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются совершенно пустые зоны (рис. 10, б, в). В эту группу входят и кристаллы, имеющие структуру алмаза, такие, как кремний, германий, серое олово, собственно алмаз и др. К этой группе относятся и многие химические соединения - окислы металлов, карбиды, нитриды металлов, корунд (Аl₂O₃) и др. Вторая группа твердых тел объединяет полупроводники и диэлектрики. Самая верхняя заполненная зона в группе этих кристаллов называется валентной зоной, а находящаяся над ней первая пустая зона - зоной проводимости. Самый верхний уровень валентной зоны называется потолком валентной зоны и обозначается (индекс υ происходит от английского слова valency - валентность). Самый нижний уровень зоны проводимости называется дном зоны проводимости и обозначается W_c (индекс с происходит от английского слова conductivity - проводимость).

Принципиальной разницы между полупроводниками и диэлектриками нет. Деление их в пределах второй группы довольно условно и определяется шириной зоны запрещенных энергий W_g, отделяющей целиком заполненную зону от пустой. Тела, имеющие ширину запрещенной зоны эВ, относят в подгруппу полупроводников. Типичными представителями их являются германий кремний арсенид галлия антимонид индия InSb (W_g ≈ 0,2 эВ).

Тела, у которых W_g > 3 эВ, относят к диэлектрикам. Широко известными диэлектриками являются корунд (W_g ≈ 7 эВ), алмаз (W_g > 5 эВ), нитрид бора и др.

Условность деления твердых тел в пределах второй группы на диэлектрики и полупроводники подчеркивается тем, что многие общепризнанные диэлектрики в настоящее время начинают использоваться в технике как полупроводники. Так, уже сегодня в полупроводниковых устройствах применяется карбид кремния с шириной запрещенной зоны около 3 эВ. И даже такой классический представитель группы диэлектриков, как алмаз, в последнее время изучается в плане возможного использования его в полупроводниковой технике.

Степень заполнения зон электронами и проводимость кристаллов. Рассмотрим свойства кристалла с частично заполненной верхней зоной при абсолютном нуле температуры (Т = 0). В этих условиях в отсутствие внешнего электрического поля все электроны займут самые нижние уровни в зоне, располагаясь на них попарно в соответствии с принципом Паули.

Создадим теперь в кристалле внешнее электрическое поле с напряженностью Е. Поле это будет действовать на каждый электрон с силой F = -eE. Приобретение ускорения электроном означает увеличение его энергии, что должно сопровождаться переходом электрона на более высокие уровни. Поскольку в частично заполненной зоне имеется много свободных энергетических уровней, то такие переходы оказываются вполне возможными. А так как энергетическое расстояние между уровнями очень мало, то даже ничтожные электрические поля вызывают переход электронов на более высоко расположенные уровни. Таким образом, в твердых телах с частично заполненной зоной внешнее электрическое поле увеличивает скорость движения электронов в направлении действия силы со стороны этого поля, что и означает появление электрического тока. Именно такие тела мы называем проводниками.

В отличие от проводников тела, характеризующиеся наличием только заполненных или пустых зон, не способны проводить электрический ток. Внешнее поле в таких твердых телах не может создать направленное движение электронов, так как приобретение электроном дополнительной энергии за счет действия поля означало бы переход его на более высокий уровень; между тем уровни валентной зоны все заняты. В пустой же зоне проводимости, хотя и много свободных мест, нет электронов, а практически используемые электрические поля оказываются не способными сообщить электронам такую энергию, чтобы перевести их из валентной зоны в зону проводимости (здесь исключаются из рассмотрения электрические поля, способные вызвать пробой диэлектрика). В силу всех этих причин даже в полупроводниках внешнее поле не может вызвать появление электрического тока. Вот почему при температуре, соответствующей абсолютному нулю, полупроводник в отношении электропроводности ничем не отличается от диэлектрика.