20#
ПОЛУПРОВОДНИКИ
йкйкой}гстепени представлены оба механизма пфэейоса тока, эффект Холла имеет тот или другой знак или в частном случае может быть близок К нолю. Различие в механизме прово’димости электронных ГЕ сказывается не только в знаке эффекта Холла, но и в знаке термоэлектродвижущей силы, возникающей между горячим и холодным концом П. Величина термоэлектродвижущих сил в П. обычно значительно больше, чем в металлах, — порядка 0, 3—1, 5 милливольта на градус (в металлах она имеет значение 0, 01—0, 1 милливольта на градус).
Ионная проводимость (см. Диэлектрики) обнаруживается по появлению эдс поляризаЦйи порядка 1—2 вольт й гл. обр. по явлениям электролиза. В случае чйстд ионных П. удается часто установить строгую справедливость закона Фарадея и по числам переноса (см. Электролиз) установить отношение подвижностей положительных и отрицательных ионов.
Галлоидные соли (NaCl, AgBr, PbCl), азотнокислые (NaNO3, LiNO3), углекислые (CaCO3, Ka2CO3), кварц (SiO2) обладают чисто ионйой проводимостью. Сернистые и селенистые соединения, значительная часть окислов, карбиды обладают электронной проводимостью так же, как и ряд элементов средней части периодич. системы (графит, сера, теллур, кремний, селен и др.). К смешанным можно отнести CuCL Окислы и сернистые соединения часто отклоняются по своему составу от точного стехиометрического отношения. Вещества закисного типа, как, напр., Си2О, обладают избытком кислорода в несколько десятых процента, что повышает их электропроводность в миллион раз. Вещества же с высшей степенью валентности, как А12О3, ZnO, NiO, столь же резко повышают свою электропроводность при отнятии от них части кислорода и восстановлении металла. В окислительных П. типа Си2О процесс, вероятно, заключается не во вхождении избыточного кислорода внутрь кристалла, а в выходе на поверхность части ионов меди. При этом часть одновалентных ионов меди переходит в двухвалентные. Механизм проводимости в восстановительных П. (ZnO) заключается в перемещении свободных электронов. В П. же типа Си2О ток переносится благодаря замещению электронами свободных квантовых состояний.
Теория П. Почти все электронные П. являются либо кристаллами, либо мелкокристаллич. агрегатами. В аморфных же телах и стеклах проводимость почти всегда обусловлена ионами. Квантовая механика вполне объясняет этот опытный факт. В кристаллической решотке мы имеем в каждом заданном направлении строго периодич. распределение потенциала. Потенциальная энергия электрона достигает наименьшего значения вблизи положительных Ионов и наибольшего значения вблизи отрицательных. С точки зрения классич. теории, переход от минимума потенциальной энергии через максимум возможен только для электронов, обладающих достаточной кинетической Энергией (порядка нескольких десятков вольт).
Квантовая же механика рассматривает поток электронов как плоскую волну с длиной волны
где h — постоянная Планка, т — масса электрона, v — скорость электрона, достигающая в Металлах 108 см/сек. (соответственно энергиив 10 электрон*вольт), а в полупроводниках 107 см/сек. (соответственно средней энергии в 0, 03 электрон-вольт при комнатной температуре); при этих условиях длина волны Л превышает расстояния между максимумами или минимумами энергии в кристаллич. решотке, составляющими (2 или 3) — 10"8 см, и электронные потоки движутся почти так же свободно, как при отсутствии поля. Зато всякое нарушение периодичности, вызванное, напр., примесями, неправильностями в строении кристалла, случайностями теплового движения и т. п., создает препятствие для движения электронов, рассеивая электронные волны и переводя часть их кинетич. энергии в тепловые колебания самой кристаллич. решотки.
Если в кристалле нет никаких других неоднородностей, кроме чисто тепловых, то подвижность и электронов с повышением температуры убывает обратно-пропорционально абсолютной температуре. Присутствие примесей и неоднородностей снижает подвижность и. Тем не менее, примеси резко повышают электропроводность благодаря сильному возрастанию концентрации п свободных электронов, — В аморфных телах нет периодического поля; всякая неоднородность рассеивает электронные волны, и поэтому в аморфных телах подвижность электронов чрезвычайно мала. Это одна из важнейших причин отсутствия электронной проводимости в аморфных телах. — Правильно построенный кристалл с точки зрения квантовой механики представляет собой одну систему, объединяющую все электроны всех атомов кристалла. Внешние валентные электроны всякого кристалла принадлежат всему кристаллу, как целому. Нельзя указать, с каким атомом связан данный валентный электрон. Подобий тому, как в отдельном атоме валентные электроны могут занимать только вполне определенные квантовые состояния с определенной энергией* так и электроны в кристалле могут занимать только определенные квантовые состояния. Если в кристалле имеется No атомов данного рода, то для валентных электронов вместо каждого уровня энергии в атоме имеется система из No квантовых состояний во всем кристалле. Мы имеем, т. обр., No уровней наименьших энергий, No состояний более высоких энергий и т. д. При температурах, близких к абсолютному нолю, все электроны занимают состояния с наинизшей энергией. Если число электронов как-раз равно No, то все возможные состояния в этой системе наименьших энергий заняты. Такая группа электронов не может участвовать ни в электропроводности ни в диффузии, так как электроны могут только обмениваться своими состояниями, но не могут двигаться в одном преимущественном направлении. Только те электроны, к-рые под влиянием теплового движения или вследствие поглощения световой энергии получат достаточную кинетич. энергию, чтобы перейти в следующую систему состояний с более высокой энергией, попадут в незаполненную систему и под действием поля смогут тогда перемещаться в определенную сторону от катода к аноду.
Вместе с тем среди занятых раньше сплошь состояний малой энергии освободится соответственное число состояний, которые позволят оставшимся там электронам так изменить свое движение, чтобы вызвать электронный ток.
При этом свободное прежде место, более близкое к аноду, переместится по направлению
