Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии
с выражением, определяющим плотность тока
Здесь ni - концентрация носителей заряда i-ого сорта, qi
- значение заряда, vi - скорость заряда. Определяющий параметр в этом выражении - ni. Как
уже упоминалось во второй лекции ni велико для металлов, т.к. нет энергетического
барьера для выхода электронов, ni - 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.
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.
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.
Теория конструктивных материалов |