Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.
Что такое полупроводники и металлы
Полупроводники
относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Металлы
— это твердые тела, которые имеют определенную структуру.
Сравнение полупроводников и металлов
В чем же разница между полупроводниками и металлами?
Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках.
У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.
Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.
ImGist определил, что отличие полупроводников от металлов заключается в следующем:
Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.
| Металл | Биологический круговорот на суше | Масса металла, 1 0 6 т/год | ||||
| Речной сток | Перенос - с пылью с континентов на акваторию | Перенос с акватории на сушу с атмосферными осадками | Биологический круговорот фотосинтетиков океана | |||
| растворимых форм | фиксированных на взвесях | |||||
| Fe | 34,0 | 27,4 | 963,0 | 65,0 | 0,132 | 47,3 |
| Мn | 35,0 | 0,41 | 20,5 | 4,0 | 0,176 | 0,99 |
| Zn | 5,2 | 0,82 | 5,86 | 0,90 | 0,240 | 4,40 |
| Сu | 1,3 | 0,28 | 1,51 | 0,11 | 0,141 | 0,77 |
| Ni | 0,34 | 0,12 | 1,58 | 0,18 | 0,057 | 0,33 |
| Сг | 0,31 | 0,041 | 2,46 | 0,19 | - | 0,16 |
| V | 0,26 | 0,040 | 2,30 | 0,25 | - | 0,33 |
| Рb | 0,21 | 0,041 | 2,87 | 0,040 | 0,44 | 0,011 |
| Со | 0,086 | 0,011 | 1,51 | 0,038 | - | 0,110 |
| Мо | 0,085 | 0,037 | 0,057 | 0,004 | - | 0,220 |
| Cd | 0,008 | 0,009 | 0,013 | 0,0006 | - | 0,055 |
| Hg. | 0,002 | 0,003 | - | 0,0008 | - | 0,017 |
Наибольшее количество металлов мигрирует в системе большого биологического круговорота, происходящего благодаря фотосинтезу растительности суши и деструкции отмирающего органического вещества беспозвоночными и микроорганизмами педосферы. Значительные массы металлов выносятся в составе речных взвесей, но этот материал почти полностью уходит в осадки при поступлении пресных вод в систему Мирового океана.
Вовлечение тяжелых металлов в биологический круговорот на суше сопровождается селективной дифференциацией их масс. Пропорциональность между количеством металлов в земной коре и относительной интенсивностью их поглощения растительностью при этом отсутствует. Коэффициент биологического поглощения К 6 растительности суши для большинства металлов составляет от 1 до 9, для цинка, молибдена и серебра - больше 9, для железа, ванадия и хрома - меньше 1. В результате селективного поглощения металлов в биомассе растительности заметно изменяются соотношения металлов, существующие в земной коре. Особенно сильно уменьшается соотношение железа с другими металлами. Биологический круговорот и дифференциация металлов, осуществляемые фотосинтетиками океана, имеют свои особенности. Массы металлов, проходящие в течение года через биологические круговороты на суше и в океане, соизмеримы, но их соотношение неодинаково. Растительность Мировой суши захватывает больше марганца и свинца, фотосинтезирующие организмы океана - больше молибдена и кобальта.
С суши в океан с речным стоком выносятся крупные массы водорастворимых и фиксированных во взвесях форм металлов. Значения коэффициента водной миграции К В металлов указывают, что наиболее активно вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка (К В > 10), а также молибдена, кадмия и меди, К В которых от 2 до 9. Фиксированные во взвесях формы железа, марганца, хрома, ванадия, свинца, кобальта выносятся в количестве 97- 98% общей массы выносимых с речным стоком металлов. Кроме того, в океан выносятся ветром значительные массы металлов, фиксированных на пылевых частицах.
В свою очередь, с акватории воздушными массами переносятся водорастворимые формы металлов. Этот процесс недостаточно изучен, и данные по переносу масс отдельных металлов отсутствуют. Тем не менее очевидно, что миграционный поток масс тяжелых металлов с океана на сушу значительно меньше, чем в обратном направлении. По этой причине годовые циклы металлов в системе суша - океан сильно незамкнуты. Значительные массы металлов накапливаются в воде морей и океанов и уходят в осадки. Повторное вовлечение металлов из осадочных толщ в циклы массообмена происходит по мере развития тектонических циклов. При этом мобилизация металлов из осадочных пород часто более затруднена, чем из глубинных кристаллических пород.
С поверхности океана в атмосферу выделяются газообразные органические соединения металлов. Как отмечено в гл. 3, высшие растения выделяют летучие органические соединения (терпены, изопрены), содержащие металлы. Еще большие массы металлов выделяются в воздух в составе газообразных метаболитов бактерий. Особо важную роль играют процессы биометилизации металлов. Ветром в тропосферу захватываются мелкие почвенные частицы, также содержащие металлы. Все перечисленные формы металлов входят в состав аэрозолей и вымываются атмосферными осадками.
В системе массообмена в биосфере педосфера играет роль глобального регулятора движения масс тяжелых металлов. В процессе трансформации органического вещества поступившие в почву металлы входят в состав легкоподвижных комплексных соединений и одновременно прочно закрепляются в устойчивых компонентах почвенного гумуса. Наиболее прочно закрепляется ртуть, которая образует весьма устойчивые комплексы с функциональными группами гумусовых кислот. Прочно связывается свинец, менее прочно медь, слабее - цинк и кадмий.
Тесная сопряженность миграционных циклов тяжелых металлов, а также регулирующая роль педосферы обеспечивают высокую устойчивость биосферы по отношению к поступлению дополнительных масс металлов природного или техногенного происхождения.
Литература:
1. Основы биогеохимии – В.В. Добровольский, 2003
Чем полупроводники отличаются от металлов
Твёрдые тела - это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.
Что такое полупроводники и металлы
Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Металлы - это твердые тела, которые имеют определенную структуру.
Сравнение полупроводников и металлов
В чем же разница между полупроводниками и металлами?
Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках.
У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.
Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.
TheDifference.ru определил, что отличие полупроводников от металлов заключается в следующем:
Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах - это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.
Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. Как показывает теория , величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τ e , длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость < v > носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:
σ = ne 2 · τе / m = (n · e 2 / m) · (λe / < v >) = e · n · u
где u - подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности, а именно
u = < v > / E = (e · τ е) / m
В зависимости от σ все вещества подразделяются; на проводники - с σ > 10 6 (Ом · м) -1 , диэлектрики - с σ > 10 -8 (Ом · м) -1 и полупроводники - с промежуточным значением σ.
С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при 0 К валентная зона кристалла: частично или полностью.
Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электрическим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Квантовое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле появится преимущественное (направленное) движение электронов против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.10.1,а) являются проводниками.
Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состояния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой переход осуществить не может. Перестановка электронов внутри полностью заполненной зоны не вызывает изменения квантового состояния системы, т.к. сами по себе электроны неразличимы.
В таких кристаллах (рис. 10.1,б) внешнее электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они будут непроводниками (диэлектриками). Из этой группы веществ выделены те у которых ширина запрещенной зоны ΔE ≤ 1 эВ (1эВ = 1,6 · 10 -19 Дж).
Переход электронов через запрещенную зону у таких тел можно осуществить, например, посредством теплового возбуждения. При этом освобождается часть уровней - валентной зоны и частично заполняются уровни следующей за ней свободной зоны (зоны проводимости). Эти вещества являются полупроводниками.
Согласно выражению (10.1) изменение электропроводности (электрического сопротивления) тел с температурой может быть вызвано изменением концентрации n носителей заряда или изменением их подвижности u .
Металлы
Квантово-механические расчеты показывают, что для металлов концентрация n свободных носителей заряда (электронов) равна:n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2
где ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 Дж · с - нормированная постоянная Планка, E F - энергия Ферми.
Так как E F практически от температуры T не зависит, то и концентрация носителей заряда от температуры не зависит. Следовательно, температурная зависимость электропроводности металлов будет полностью определяться подвижностью u электронов, как и следует из формулы (10.1). Тогда в области высоких температур
u ~ λ e /
а в области низких температур
u ~ λ e /
Степень подвижности носителей заряда будет определяться процессами рассеяния, т.е. взаимодействием электронов с периодическим полем решетки. Так как поле идеальной решетки строго периодическое, а состояние электронов - стационарное, то рассеяние (возникновение электрического сопротивления металла) может быть вызвано только дефектами (примесными атомами, искажениями структуры и т.д.) и тепловыми колебаниями решетки (фононами).
Вблизи 0 К, где интенсивность тепловых колебаний решетки и концентрация фононов близка к нулю, преобладает рассеяние на примесях (электрон-примесное рассеяние). Проводимость при этом практически не меняется, как следует из формулы (10.4), а удельное сопротивление
имеет постоянное значение, которое называется удельным остаточным сопротивлением ρ ост или удельным примесным сопротивлением ρ прим, т.е.
ρ ост (или ρ прим) = const (T)
В области высоких температур у металлов становится преобладающим электрон-фононный механизм рассеяния. При таком механизме рассеяния электропроводность обратно пропорциональна температуре, как видно из формулы (10.3), а удельное сопротивление прямо пропорционально температуре:
График зависимости удельного сопротивления ρ от температуры приведен на рис. 10.2
При температурах отличных от 0 К и достаточно большом количестве примесей могут иметь место как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние; суммарное удельное сопротивление имеет вид
ρ = ρ прим + ρ ф
Выражение (10.6) представляет собой правило Матиссена об аддитивности сопротивления. Следует отметить, что как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние носит хаотический характер.
Полупроводники
Квантово-механические расчеты подвижности носителей в полупроводниках показали, что, во-первых, с повышением температуры подвижность носителей u убывает, и решающим в определении подвижности является тот механизм рассеяния, который обуславливает наиболее низкую подвижность. Во-вторых, зависимость подвижности носителей заряда от уровня легирования (концентрации примесей) показывает, что при малом уровне легирования подвижность будет определяться рассеянием на колебаниях решетки и, следовательно, не должна зависеть от концентрации примесей.
При высоких уровнях легирования она должна определяться рассеиванием на ионизированной легирующей примеси и уменьшаться с увеличением концентрации примеси. Таким образом, изменение подвижности носителей заряда не должно вносить заметного вклада в изменение электрического сопротивления полупроводника.
В соответствии с выражением (10.1) основной вклад в изменение электропроводности полупроводников должно вносить изменение концентрации п носителей заряда .
Главным признаком полупроводников является активационная природа проводимости, т.е. резко выраженная зависимость концентрации носителей от внешних воздействий, как-то температуры, облучения и т.д. Это объясняется узостью запрещенной зоны (ΔЕ < 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.
Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью
. Собственная проводимость полупроводников возникает в результате перехода электронов (n) с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости и образованием дырок (p) в валентной зоне:
σ = σ n + σ ρ = e · n n · u n + e · n ρ · u ρ
где n n и· n ρ - концентрация электронов и дырок,
u n и u ρ - соответственно их подвижности,
e - заряд носителя.
С повышением температуры концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне экспоненциально возрастает:
n n = u nо · exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρо · exp(-ΔE / 2kT)
где n nо и n pо - концентрации электронов и дырок при Т → ∞,
k = 1,38 · 10 –23 Дж/ К - постоянная Больцмана.
На рисунке 10.3,а приведен график зависимости логарифма электропровод-ности ln σ собственного полупроводника от обратной температуры 1 / Т: ln σ = = ƒ(1 / Т). График представляет собой прямую, по наклону которой можно опреде-лить ширину запрещенной зоны ∆Е.
Электропроводность легированных полупроводников обусловлена наличием в них примесных центров. Температурная зависимость таких полупроводников определяется не только концентрацией основных носителей, но и концентрацией носителей, поставляемых примесными центрами. На рис. 10.3,б приведены графики зависимости ln σ = ƒ (1 / Т) для полупроводников с различной степенью легирования (n1 < n2 < n3, где n – концентрация примеси).
Для слаболегированных полупроводников в области низких температур преобладают переходы с участием примесных уровней. С повышением температуры растет концентрация примесных носителей, значит растет и примесная проводимость. При достижении т. А (см. рис. 10.3,б; кривая 1) – температуры истощения примеси Т S1 – все примесные носители будут переведены в зону проводимости.
Выше температуры Т S1 и до температуры перехода к собственной проводимости Т i1 (см. т. В, кривая 1, рис. 10.3,б) электропроводность падает, а сопротивление полупроводника растет. Выше температуры Т i1 преобладает собственная электропроводность, т.е. в зону проводимости вследствие теплового возбуждения переходят собственные носители заряда. В области собственной проводимости σ растет, а ρ падает.
Для сильнолегированных полупроводников, у которых концентрация примеси n ~ 10 26 м –3 , т.е. соизмерима с концентрацией носителей заряда в металлах (см. кривая 3, рис. 10.3,б), зависимость σ от температуры наблюдается только в области собственной проводимости. С ростом концентрации примесей величина интервала АВ (АВ > A"B" > A"B") уменьшается (см. рис. 10.3,б).
Как в области примесной проводимости, так и в области собственной проводимости преобладает электрон-фононный механизм рассеяния. В области истощения примеси (интервалы AB, A"B", A"B") вблизи температуры Т S преобладает электрон-примесное рассеяние. По мере увеличения температуры (перехода к Т i) начинает преобладать электрон-фононное рассеяние. Таким образом, интервал АВ (A"B" или A"B"), называемый областью истощения примеси, является также областью перехода от механизма примесной проводимости к механизму собственной проводимости.
Элементарные металлы являются проводниками электричества первого рода. Способность металлов проводить электричество - их электрическая проводимость обусловлена наличием в них кристаллических решетках электронов, находящихся в состоянии проводимости. Энергетическое состояние электронов проводимости обусловлено расщеплением электронных уровней в зависимости от расстояния между центрами атомов в кристалле (рис. 73). Наличие электронов проводимости может быть доказано посредством исследования эффекта Холла. Электроны, двигающиеся в электрическом поле, меняют направление в зависимости от приложенного магнитного поля, создавая поперечную разность потенциалов; измерив последнюю, можно вычислить число электронов проводимости на один атом.
Рис. 73. Расщепление энергетических уровней атома
в зоны при взаимодействии атомов в твердом теле
Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обуславливает большую теплопроводность металла.
Электроны проводимости в металлическом кристалле обладают большой подвижностью, однако за фазовую границу металлического кристалла они не проникают. Для преодоления этой границы необходимо затратить энергию, называемую работой выхода электрона. Эта энергия может быть получена электронами в результате освещения или нагревания металла. При освещении поверхности металла от нее отрываются электроны; такое явление называют фотоэлектрическим эффектом. Очевидно, что отрыв электронов при фотоэлектрическом эффекте обусловлен энергией кванта света, падающего на поверхность металла.
На границе раздела двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов. Ее возникновение обусловлено различной концентрацией электронов проводимости к различной работой выхода электронов у соприкасающихся металлов. Некоторые пары металлов обладают значительной контактной разностью потенциалов. Величина контактной разности потенциалов существенно зависит от температуры. В зависимости от поведения металлов в магнитном поле различают диамагнитные ,парамагнитные иферромагнитные металлы. Мерой магнитных свойств металлов, как и других веществ, служит магнитная восприимчивость, которая определяется восприимчивостью вещества к магнитным силовым линиям. Металлы с отрицательной восприимчивостью оказывают большее сопротивление магнитным силовым линиям, чем пустое пространство, и называются диамагнитными; металлы с положительной восприимчивостью хорошо проводят магнитные силовые линии и называются парамагнитными. Диамагнитные вещества, помещенные между полюсами сильного магнита, ориентируются перпендикулярно, а парамагнитные вещества - вдоль силовых линий. Металлы с особо высокой
магнитной восприимчивостью (например, железо) называются ферромагнитными . Парамагнитные металлы втягиваются в магнитное поле, а диамагнитные выталкиваются из него. Диа-
магнитным является, например бериллий и металлы подгрупп цинка, галлия, германия. Парамагнитными являются - щелочные, щелочноземельные и металлы побочных подгрупп периодической системы; ферромагнитных металлов немного - это железо, кобальт, никель, гадолиний и диспрозий. Ферромагнитные свойства металлов сохраняются лишь до определенной критической температуры, называемой точкой Кюри, выше которой остаются лишь обычные парамагнитные свойства.
Непрозрачность металлов также обусловлена присутствием в кристаллической решетке (а также и в расплаве) свободных электронов. Подвижные электроны в металле гасят световые колебания, превращая их энергию в теплоту или, в определенных условиях, используя ее для высвобождения электронов с поверхности металла (фотоэлектрический эффект). Как известно, металлический блеск объясняется тем, что металлы отражают большую долю падающего на них света. Интенсивность блеска определяется долей поглощаемого света. Наиболее ярко блестят палладий и серебро. Большинство металлов почти полностью отражает свет всех длин волн спектра, в связи с чем они имеют белый или серый цвет. И только некоторые металлы (медь, золото, цезий) поглощают зеленый или голубой свет сильнее, чем свет других длин волн, в связи с чем, они окрашены в желтый или даже красный цвет. Этим объясняется способность всех металлов полностью отражать радиоволны, которая используется для обнаружения различных металлических объектов с помощью радиоволн (радиолокация).
Металлы
относятся к веществам с очень хорошей
электронной проводимостью (проводники
первого рода). Их удельная электропроводность
от10
4
до10
6
ом
-1
∙см
-1
, или
в системе СИ от10
6
до10
8
сим∙м
-1
(1 сим = 1 ом
-1
)
.
Несколько
меньшей проводимостью, чем чистые металлы, обладают их сплавы, некоторые интерметаллические соединения и различные карбиды, гидриды, нитриды металлов, являющиеся фазами переменного состава. Удельная проводимость металлов выражается уравнением
=
neu
,
где n -концентрация электронов проводимости, см -3 ;е -
Заряд электрона, равный 1,6∙10 -19 к ,u -подвижность электронов,см 2 / (в∙сек) .
Если число атомов
в 1 см
3
металла порядка10
22
, число валентных
электронов каждого атома единица, то
приu
=100 см
2
/ (в∙сек)
бдет порядка10
5
ом
-1
∙см
-1
.
Так как концентрация
электронов проводимости n
в данном металле практически постоянна
и не зависит от температуры, то
будет зависеть только от тех факторов,
которые влияют на подвижность электроновu
. В частности, при
повышении температуры увеличивается
амплитуда колебаний положительных
ионов металлической решетки. Из-за этого
более интенсивно рассеиваются электроны
и уменьшается их подвижность, вследствие
чего электропроводность металлов
при нагревании уменьшается. Наоборот,
при приближении к абсолютному нулю
уменьшается амплитуда колебания ионов,
кристаллическая решетка упорядочивается,
уменьшается влияние ионов на электроны
проводимости и облегчается продвижение
последних в металле. Многие металлы в
силу особых квантовых условий при низких
температурах становятся сверхпроводниками.
Примеси в металле нарушают строение кристаллической решетки. Проводимость такого металла оказывается меньше, чем чистого. Именно по этой причине приходится, например, медь, идущую для изготовления проводов, тщательно очищать электролитическим рафинированием.
Диэлектрики в противоположность металлам характеризуются жесткой локализацией валентных электронов около определенных атомов, находящихся в ковалентной связи с соседними атомами. В типично ионных решетках электроны тоже прочно удерживаются около каждого иона. По этой причине диэлектрики имеют очень малую удельную электропроводность (от10 -10 до10 -22 ом -1 ∙ см -1 ) и обладают изолирующими свойствами.
К диэлектрикам относятся некоторые простые вещества (алмаз), подавляющее большинство органических соединений, керамические материалы, слюда, силикатные стекла и др. Особо важное значение имеют полимерные материалы как диэлектрики, используемые в качестве хороших изоляторов. К газообразным диэлектрикам относятся N 2 ,SF 6 и др. В состав диэлектриков могут входить атомы металлических элементов, но атомы неметаллов входят обязательно, так как без них не существуют прочные ковалентные, ионные или ионно-ковалентные связи между атомами. Таких связей нет только в ожиженных и закристаллизованных газах нулевой группы элементов периодической системы, которые также обладают свойствами диэлектриков.
Между металлами, как очень хорошими электронными проводниками, и диэлектриками, обладающими более или менее высокими изолирующими свойствами, находится громадная группа веществ с удельной электропроводностью от 10 -10 до10 4 ом -1 см -1 . Вещества этой группы называютполупроводниками . Под полупроводниками понимают обычно неметаллические проводники с электронным механизмом тока.
Сравнивая свойства их с металлами и диэлектриками, можно нагляднее всего характеризовать полупроводники.
При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает. Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников
и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие.
По сравнению с металлами проводимость полупроводников не уменьшается, а увеличивается при введении ничтожных количеств примесей, при появлении других дефектов строения кристаллической решетки, при действии различных излучений. Электрофизические свойства полупроводниковых соединений весьма чувствительны к отклонениям от стехиометрического состава. В отличие от металлов полупроводники хрупки и менее теплопроводны, хуже отражают видимые лучи.
Малая проводимость
их по сравнению с металлами вызвана не
тем, что подвижность носителей заряда
сильно отличается в металлах и
полупроводниках, а главным образом тем,
что ток в последних переносится
небольшой частью электронов, например,
стомиллионной долей от общего числа
валентных электронов. Уменьшение
при охлаждении полупроводников может
быть объяснено только быстрым уменьшением
числа электронов проводимостиn
,
так как известно, что подвижность
электронов возрастает при охлаждении.
Стремление
иn
к нулю приТ → 0
указывает на то, что электроны проводимости
в полупроводниках создаются тепловым
движением (или другими видами энергии,
сообщенной извне). Это основное отличие
полупроводников от металлов.
Объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков дается на основе квантовой теории строения кристаллических тел - так называемой зонной теории. Рассмотрим некоторые общие положения этой теории. Переход атомных паров в кристаллическое вещество можно рассматривать как химическую реакцию, так как оптические, термодинамические, электрофизические и другие свойства твердых тел отличаются от свойств газов. Важно отметить, что атомные спектры газов имеют линейчатое строение, а спектры твердых тел имеют сплошной характер или полосатую, очень сложную структуру. Уже при взаимодействии двух одинаковых атомов дискретные атомные энергетические уровни расщепляются и превращаются в полосы. Тем большее расщепление уровней происходит, когда большое числоN атомов, например лития, сближается с далеких расстояний до расстояний, на которых они находятся в кристаллической решетке. На рис. 74,а это расстояние между ядрами обозначено на оси абсцисс буквойd 0 . По оси ординат отложена энергия. Находясь на больших расстояниях, атомы не взаимодействуют друг с другом, и диаграмма уровней будет такая же, как и для изолированного атома лития(ls 2 2s 1 ) . При сближении атомов начнется взаимодействие между ними, прежде всего у каждого из них станет расщепляться уровень валентных электронов(2s) . Уровень(2s) расщепляется в систему весьма близко расположенныхN уровней, образуя целую полосу (зону) уровней. Более глубокие уровни при образовании кристалла оказываются совсем не расщепленными или только незначительно расщепленными.
Если ширина зоны валентных состояний в кристалле равна 1 эв , а число атомовN , образующих1 см 3 кристалла, имеет порядок10 22 , то энергетические уровни в зоне расположены в среднем на расстояниях1 / 10 22 эв друг от друга. Между зонами состояний1s и2s в кристалле лития находится область неразрешенных состояний (запрещенная зона).
Заполнение уровней разрешенных зон электронами подчиняется принципу Паули, поэтому число электронов не может быть больше числа возможных состояний в данной зоне. Максимальное число электронов в зоне должно быть не больше qN (гдеq - степень вырождения исходных уровней атома. Следовательно, в зонеs могут находиться лишь2 N электронов, так
как степень вырождения s- уровней равна двум (из-за двух различных значений спинового числа). В зонер могут находиться максимум6 N электронов (из-за шестикратного вырожденияр - уровней) и т. д.
а - для лития;б - для бериллия
На основе зонной теории легко объяснима электропроводность твердого тела. Например, она объясняет электропроводность лития и других щелочных металлов У них валентная зона занята только наполовину, так как N атомов имеютN валентных электронов (по одномуs - электрону на атом), а число мест вs - зоне2 N . Незаполненность верхней (валентной) зоны порождает электронную проводимость, характерную для металла. Действительно, под влиянием электрического поля валентные электроны должны начать движение к положительному полюсу, т. е. приобретать дополнительную энергию. Такое наращивание этой энергии очень малыми порциями (почти непрерывное) возможно, если в зоне валентных состояний есть уровни, свободные от электронов. Если зона валентных состояний полностью заполнена электронами, то проводимость должна отсутствовать, т. е. тело должно иметь свойства диэлектрика. В полностью заполненной зоне электроны не могут наращивать энергию малыми порциями, так как принцип Паули запрещает переходы внутри заполненной зоны.
С этой точки зрения
атомы бериллия и других элементов 2-й
группы имеют полностью заполненную s-
зону валентных состояний:N
атомов,
образующих кристалл, поставляют2 N
электронов (по дваs
- электрона
каждый), что отвечает числу возможных
состояний в зоне. Однако кристаллы этих
веществ не являются изоляторами
(диэлектриками) и хорошо проводят ток,
как металлы. Это объясняется следующим.
При сближении атомов бериллия и других
элементов 2-й группы до расстояния,
равного параметру решеткиd
0
,
расщепленные уровниs-
ир-
состояний
перекрывают друг друга (рис. 74,б
) и
образуют объединенную зонуsp-
состояний, в которой имеется8 N
мест.
Таким образом, верхняяsp-
зона имеет
только
занятых мест в кристаллах элементов
2-ой группы,
мест остаются свободными. Поэтому
указанные вещества имеют металлическую
проводимость. У других металлов тоже
только частично заполнена электронами
верхняя (валентная) энергетическая
зона.
Дискретным уровням
атома в твердом теле соответствует
всегда дискретная система разрешенных
зон, разделенных запретными зонами.
Как правило, если электроны образуют в
атоме или молекуле законченную группу,
то при объединении их в твердое или
жидкое тело создаются зоны, все уровни
которых заполнены, поэтому такие вещества
будут обладать при абсолютном нуле
свойствами изоляторов. Сюда относятся
решетки благородных газов, молекулярные
и ионные решетки соединений с насыщенными
связями. В решетках алмаза, кремния,
германия,
-
олова, соединений типаA
I
II
B
V
,A
II
B
VI
,CSi
каждый атом связан единичными
валентными связями с четырьмя
ближайшими соседями, так что вокруг
него образуется законченная группа
электроновs
2
p
6
и валентная зона оказывается
заполненной.
Полупроводники и
диэлектрики отличаются от металлов
тем, что валентная зона у них при Т
0 К
всегда полностью
заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний. Ширина запрещенной зоны Δ E у полупроводников - от десятых долей электрон-вольт до3 Эв (условно), а у диэлектриков - от3 до5 Эв . Если между полупроводниками и диэлектриками имеется только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в металле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (рис. 75,а ).
Для возбуждения проводимости в полупроводнике необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии не меньше, чем Δ E , электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог преодолен, то чистый (собственно) полупроводник имеет электронную проводимость. Чем меньше ширина запрещенной зоныΔ Е , тем больше проводимость при данной температуре. Так как у диэлектриковΔ Е очень велика, то проводимость их очень мала.
При приближении
к абсолютному нулю термическое возбуждение
оказывается недостаточным, и полупроводники
становятся диэлектриками, а металлы
становятся сверхпроводниками. Чем выше
температура и чем более интенсивно
полупроводник облучается квантами с
энергией h
не меньшеΔ Е
, тем больше проводимость
собственно полупроводника, так как
увеличивается число электронов,
перебрасываемых из валентной зоны в
зону проводимости.
Для чистых
полупроводников при убывании частоты
падающего света коэффициент поглощения
при некотором значении
резко падает, и материал становится
прозрачным для лучей с меньшими частотами.
Этот участок быстрого спада поглощения
называется краем собственного поглощения.
Длина волны
и частота
,
отвечающая краю собственного поглощения,
приближенно определяются условиями
Рис. 75. Схема энергетических зон:
а - в металле;б - в полупроводнике;в - в диэлектрике;
Δ Е - ширина запрещенной зоны
h
=
hC
/
= Δ Е,
где Δ Е называется оптической шириной запрещенной зоны.
Энергия квантов видимого света лежит в пределах 1,5 - 3,0 эв , т. е. обычно превышает энергию возбуждения проводимости(Δ Е) . Если в полупроводнике есть некоторое количество примесей, он становится непрозрачным в широкой области частот - от ультрафиолетовой вплоть до радиочастот.
Металлы при облучении светом практически не изменяют проводимость, так как число электронов проводимости в них не изменяется.
Уход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости оставляет свободное место (дырку) в валентной зоне с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Таким образом, дыркой называется освобожденное от электрона место в области нарушенной ковалентной связи, соединяющей соседние атомы собственно полупроводника, имеющее единичный положительный заряд.
На рис. 76 изображены схемы появления дырки в атомной решетке элементарного полупроводника и возникновение электрона проводимости. Электрон, появившийся в междоузлии, является подвижным носителем заряда. Такие электроны, как и дырки, могут свободно перемещаться по кристаллу (диффундировать). Если поместить кристалл в электрическое поле с напряжением, падающим справа налево, то «свободный» электрон приобретает направленное движение против поля (вправо). На место образовавшейся дырки (+) перейдет электрон из какого-либо места соседней связи левее дырки. Таким образом, образуется новая дырка вместо прежней. Следовательно, дырка перемещается по направлению поля (влево) при скачках электронов в валентной зоне, совершающихся слева направо, как показано на рис. 76,а (стрелками). Перенос заряда электронами валентной зоны называют дырочным. Таким образом, в собственных полупроводниках бывает двоякий механизм проводимости: электронный и дырочный. Удельная электропроводность полупроводника в общем случае выражается уравнением
=
neu
n
+
peu
p
,
где u n иu p - подвижности соответственно электронов и дырок;n иp - их концентрации.
В собственном полупроводнике
n
=
p
=
Ae
,
где k
- константа
Больцмана, равная1,38∙10
-16
эрг
/град
, или0,863·10
-
4
эв
/град
;А
для
полупроводников с ковалентными связями
(например, кремния и германия)
пропорциональнаТ
1,5
, а
подвижности носителей заряда
пропорциональныТ
-1,5
,
поэтому без большой погрешности можно
написать считая
0
- постоянной величиной для данного
полупроводника.
=
0
e
,
Рис. 76. Схема разрыва валентной связи и появление
свободного электрона и дырки как носителей заряда:
а - в плоском изображении;б - в зонной энергетической диаграмме;А - атомы кремния или германия;(:) - валентные электроны, осуществляющие связь соседних атомов;(+) - дырка;
(-) - свободный электрон;Е с - нижний уровень свободной зоны;
Е в - верхний уровень валентной зоны
Логарифмируя, получим
ln
=
ln
0
-
Это уравнение
прямой линии ln
=
f
с угловым коэффициентомtg
= -
.
Отсюда
Δ
E
= - 2
k
tg
,
где
- угол между прямой и положительным
направлением оси1/Т
.
Так как этот угол
всегда тупой, то tg
< 0
, аΔЕ > 0
. ЗдесьΔ Е
называют
термической шириной запрещенной зоны,
т. е. вычисленной из температурного хода
проводимости.
Возникновение
пары электрон - дырка за счет нарушения
нормально заполненной связи (НЗ)
можно записать в виде уравнения обратимой
реакцииНЗ + Δ Е
+
(где
- электрон проводимости,
- дырка). При заданной температуре
устанавливается динамическое равновесие.
Процесс, идущий слева направо, является
генерацией электронов и дырок, а обратный
процесс называется рекомбинацией
электронов и дырок. При повышении
температуры в соответствии с принципом
Ле Шателье это равновесие сдвигается
вправо. При данной температуре по закону
действия масс можно записать константу
равновесия так:K
=
np
/ [НЗ]
. Из того,
что практически очень большая величина[НЗ]
постоянна, следует
np = const
Нормально заполненных связей практически столько, сколько связей в 1 см 3 . Например, в1 см 3 германия связей(6,02 ∙ 10 23 ∙ 5,32 / 72,59) x 2 = 9,0 ∙ 10 22 (здесь5,32 - плотность германия,г/см 3 ;72,59 - его атомная масса). Дробь, представляющая собой число атомов германия в1 см 3 , умножается на 2 потому, что каждый атом имеет 4 связи с соседними атомами, но каждая связь соединяет два атома.
Для беспримесного полупроводника n = p = n i (n i - от словаintrinsic - собственный); поэтому можно представить
np
=
n
.
Это значит: произведение концентраций электронов проводимости и дырок в полупроводнике при постоянной температуре постоянное, равное произведению концентраций их в собственном полупроводнике при той же температуре и не зависит от характера и количества содержащихся в нем примесей. (Сравните эти закономерности с законами равновесия между ионами Н + иОН - в воде и водных растворах.)
Для германия при 300 0 К np = 6,25 ∙ 10 26 . Отсюда концентрация электронов и дырок в беспримесном германииn = p = n i =2,5 ∙ 10 13 см -3 . Для кремнияn i примерно на три порядка меньше.
Примесные полупроводники. Кроме электронов и дырок, появляющихся одновременно при нарушении валентных связей в собственном полупроводнике, могут быть также и носители зарядов, происхождение которых связано с наличием атомов примесей. В настоящее время удается изготовить полупроводники очень высокой чистоты с концентрацией примесей порядка10 -10 ат. % , однако идеально беспримесных полупроводников вообще нет.
Наиболее чистые образцы германия имеют удельную электропроводность порядка 0,01 - 0,02 ом -1 см -1 . Примеси, вводимые в высокоочищенные образцы полупроводников, сильно увеличивают электропроводность, а значит, уменьшают удельное сопротивление. Например, при введении примерно10 15 атомов сурьмы в1 см 3 особо чистого германия(4 ∙ 10 -6 вес. %) с удельной проводимостью0,017 ом -1 ∙ см -1 последняя увеличивается примерно на порядок, а сопротивление падает с60 до4 - 10 ом ∙ см .Полупроводники, содержащие примеси (реальные полупроводники), называются примесными. Примеси в полупроводниках принято делить на донорные и акцепторные. Первые создают электронную проводимость, а вторые - дырочную.
Рассмотрим примеры влияния на проводимость германия и кремния примесей замещения. Если в кристаллическую решетку их ввести атом сурьмы или другого элемента V группы, то он, став на место атома германия (или кремния) в узле решетки, образует валентные связи с четырьмя соседними ато-
мами германия, расположенными по вершинам окружающего его тетраэдра. Так как у элементов V группы во внешней оболочке 5 валентных электронов, то один из них будет избыточным и не примет участие в образовании связей. Такой электрон оказывается слабо связанным со своим атомом в кристалле; чтобы его отделить от атома и перевести в междоузлие, нужно затратить мало энергии. В зонной модели это значит, что для перевода такого электрона в зону проводимости необходимо затратить гораздо меньше энергии, чем для перевода электрона с потолка валентной зоны до нижнего края зоны проводимостиΔ Е . Значит, уровни, на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне вблизи от дна зоны проводимости (на уровнеЕ Д на рис. 77,б ).
Уже при невысокой температуре эти электроны получают достаточное количество энергии (Δ Е Д ) - порядка сотых долей электрон - вольта для перехода в зону проводимости. Но это не
оставит дырки в валентной зоне, зато у атома сурьмы появится единичный положительный заряд (неподвижный). Δ Е Д можно назвать энергией активации донорной примеси. Увеличив концентрацию сурьмы в германии, мы тем самым увеличим концентрацию свободных электронов и положительных ионов сурьмы, не увеличив концентрацию дырок. Наоборот, по концентрация дырок должна уменьшаться во столько раз, во сколько увеличивается концентрация электроновn . В этом случае электроны станут основными носителями заряда, а дырки – не основными. Такие полупроводники по преимуществу с электронной проводимостью называются полупроводникамиn - типа (от лат.negative - отрицательный).
Если вводить в кристаллическую решетку германия (кремния) атом галлия или другого элемента Ш А подгруппы, то у атома замещающей примеси не хватит одного электрона для осуществления четырех нормальных связей с соседними атомами германия. Одна из связей будет незаполненной (одноэлектронной), но атом галлия и смежный с ним атом германия
будут электронейтральными. Однако при небольшом возбуждении электрон из какой-либо нормальной соседней связи между атомами германия может перейти в место незаполненной
связи. Тогда у атома галлия появится отрицательный заряд,
Рис. 77. Модель образования электронной примесной
проводимости в кремнии и германии:
а - в плоском изображении;б Е Д - донорный уровень;Δ Е Д - энергия активации донора;1 + - заряд иона донора (остальные обозначения те же, что и на рис. 76)
а где-то вблизи возникнет дырка (рис. 78). Таким легированием германия (кремния) элементами III A подгруппы можно повышать концентрацию дырок, которые станут основными носителями подвижных зарядов, а электроны – не основными. Так как энергия возникновения дырки вблизи акцепторной примесиΔ Е а тоже порядка сотых долейЭв , то появление галлия в решетке германия как примеси замещения, по - видимому, приводит к появлению локального уровняЕ а вблизи верхнего края валентной зоны (рис. 78,6 ). Уже при невысокой температуре электроны из валентной зоны переходят на этот акцепторный уровеньЕ а , оставляя дырку в валентной зоне. Полупроводники с избытком дырок (с акцепторными примесями) называются дырочными илир- типа полупроводниками (от лат.positive - положительный).
Атомы замещающей примеси в кристаллах германия и кремния действуют как донорные примеси, если у них валентных электронов больше четырех, и как акцепторные примеси,
если валентных электронов в атомах замещающих примесей меньше четырех. Например, атомы цинка, замещающие атомы кремния в решетке, действуют как двойные акцепторы.
Если примесные атомы образуют твердые растворы внедрения в полупроводнике, то атомы металлов играют роль доноров, а атомы неметаллов - роль акцепторов. Очень важно различать, в какое положение попадают атомы примеси в решетку. Например, при малой концентрации магния в решетке GaAs (ниже10 18 см -3 ) они действуют как доноры, являясь атомами внедрения, а при большой концентрации начинают действовать как акцепторы, так как становятся заместителями атомов галлия в решетке. Атомы лития и меди, как примеси
Рис. 78. Модель образования дырочной примесной
проводимости в кремнии или в германии:
а
- в плоском
изображении;б
- в зонной энергетической
диаграмме;Е
а
- акцепторный
уровень;Δ Е
а
- энергия
активации акцептора;
- электрон перекочевавший из места
валентной связи между атомамиА
и
оставивший там дырку(+)
;
Заряд иона акцептора (остальные обозначения те же,
что и на рис. 76)
внедрения в германий, являются донорами. Так же ведет себя медь в арсениде индия.
В полупроводниковых соединениях чем больше будет разность электроотрицательностей атомов в решетке, тем больше степень ионности связей. Это оказывает определенное влияние на свойства полупроводника, так как с увеличением степени ионности связей обычно увеличивается ширина запрещенной зоны.
В случае замещения более электроотрицательного атома полупроводникового соединения атомами с большим числом валентных электронов, чем у замещаемого атома (например, атомов мышьяка в GaAs атомами селена или теллура), примеси являются донорами, а поэтому возникаетn - проводимость. Если же примесные атомы имеют меньшее число валентных электронов, то они являются акцепторами, и поэтому появляетсяр- тип проводимости. То же правило доминирует и при замещении менее электроотрицательного атома другими. Например, при замещенииGa вGaAs атомамиZn, Cd, Mg возникают акцепторные центры ир- тип проводимости. Однако из этих правил есть и исключения, которые пока не нашли себе объяснения. Требуется дальнейшее изучение этих вопросов.
При сильно выраженном ионном характере связи возможно иное объяснение появлению донорных и акцепторных центров в случае образования твердых растворов замещения. Например, если в сульфидах цинка, кадмия, свинца атомы серы замещать атомами хлора, то можно думать, что донорные уровни возникают не потому, что хлор отдает один из своих электронов в зону проводимости, а потому, что сера способна отнимать два электрона от атома металла, а хлор только один. В результате часть электронов, отданная атомами металла, но не присоединенная к атомам хлора, и создает n - проводимость.
Локальные уровни в запрещенной зоне полупроводника могут появиться не только из-за примесей, но и в результате
образования в решетке протяженных дефектов. Например, при
образовании дислокаций в кристаллах германия и кремния создаются акцепторные уровни вследствие того, что ненасыщенные валентные связи около таких дефектов могут захватывать электроны, т. е. играть роль акцепторных центров. Например, в германии дислокации образуют акцепторные уровни, отстоящие примерно на 0,2 эв от дна зоны проводимости. Нарушение стехиометрического состава соединений из-за образования вакансий в различных подрешетках полупроводникового соединения также приводит к появлению донорных или акцепторных центров. При появлении вакансий в подрешетке неметаллических атомов возникают донорные уровни иn - тип проводимости (ZnO 1 - x , CdS 1 - x , PbS 1 - x и т. п.). При появлении вакансий в подрешетке металлических атомов возникают акцепторные уровни ир- тип проводимости (С u 2 - x О, T i 1 - x О, Pb 1 - x S и т.п.).
Это правило находит себе объяснение в том, что при удалении атома неметалла из решетки остаются слабо связанные электроны у атомов металла, окружающих пустой узел. Эти электроны легко отделяются от атомов металла и становятся электронами проводимости. При удалении атома металла из решетки у атомов неметалла, окружающих пустой узел, остаются ненасыщенные валентности, которые обусловливают появление акцепторных уровней и порождают р- тип проводимости.
Халькогениды свинца интересны тем, что используются в виде тонких пленок в качестве фотосопротивлений, очень чувствительных к инфракрасным лучам. Все три халькогенида имеют структуру типа NaCl и являются двусторонними фазами вычитания переменного состава. Бребрик и Сканлон изменяли состав кристаллов сульфида свинца, нагревая их20 ч до500 0 С при разном давлении паров серы, затем быстро охлаждали их до комнатной температуры. На рис. 79 приведены результаты исследования удельного сопротивления полученных образцов,
измеренного при комнатной температуре. Максимум сопро-
тивления получившегося образца отвечает давлению паров серы примерно 0,01 мм рт. ст. (это давление насыщенных паров серы при температуре около103° С ). В этих условиях совершается термодинамическое превращениеn- типа сульфида вр- тип и обратно и получается образец с минимумом проводимости, отвечающий стехиометрическому составуPbS . Если упругость паров серы меньше, то во время термической обработки сульфида при500° С образец приобретает все большую и большуюn- проводимость, обусловленную увеличивающейся концентрацией вакансий в подрешетке серы. При увеличивающейся упругости паров серы во время термической обработки сульфида образец приобретает все большую и большую проводимостьp - типа, обусловленную увеличивающейся концентрацией вакансий в подрешетке свинца. Таким образом, по обе стороны от максимума сопротивление резко убывает, как видно на рис. 79.
Образование вакансий в подрешетке серы с удалением атомов серы из сульфида свинца можно записать в таком виде:
q+
[S]
q-
q+
[S]
+S
2
Здесь q+ иq- - некоторый заряд меньший единицы, имеющийся на атомах, соответствующий доле ионной составляющей химической связи; q- - вакансии в анионной подрешетке; формула паров серы условно записанаS 2 .
По правилу фаз С = К + 2 - Ф эта система имеет две степени свободы, так как в ней одна твердая фаза, одна газообразная и два компонента. Поэтому, чтобы получить полупроводник с определенными свойствами, необходимо установить не только постоянную температуру, но и определенное давление паров серы (или свинца), соответствующее заданной температуре.
Температура резервуара с серой, 0 C
Рис. 79. Зависимость сопротивления кристаллов сульфида свинца от давления паров серы в процессе его
термической обработки
Этот вывод важен для технологов. Он заставил перейти от однотемпературных печей при синтезе полупроводниковых соединений к двухтемпературным. Например, при одной температуре должен находиться обрабатываемый сульфид, а при другой - сера или свинец (рис. 80).
Рис. 80. Схема синтеза полупроводников в двухзонной печи
в условиях бивариантного равновесия с управлением
давлением пара одного из компонентов
В откачанной и запаянной ампуле находится при повышенной температуре T 1 (например, порядка1200° К ) сульфид в кварцевой лодочке, а в другой лодочке - сера, допустим, при температуре ее плавленияТ 2 = 392° К , при которой будет все время поддерживаться давление паров серы3,2 ∙ 10 -2 мм рт. ст. ИзменяяТ 2 , можно варьировать давление паров серы, а значит, состав и свойства образца сульфида.
Выделение атомов серы из кристаллов сульфида при малом давлении паров серы объясняется весьма просто. Сначала удаляются атомы, лежащие на поверхности, из открытых трещин. На их место изнутри диффундируют другие атомы, оставляя после себя вакансии, и т. д. - до состояния термодинамического равновесия. Так как атомы серы имеют в решетке заряд q - , то, испаряясь в виде молекулS 2 (илиS n ) они оставляют свой заряд вакансиям. Так возникают донорные уровни. Если давление паров серы настолько велико, что все анионные вакансии заполнены путем диффузии по ним атомов серы вглубь, то может начаться достройка кристалловPbS атомами серы на поверхности. К этим атомам серы начнут диффундировать на поверхность атомы свинца, образуя в объеме кристалла вакансии с положительным зарядомq + . Эти заряды эквивалентны акцепторным уровням, поэтому сульфид приобретаетр- проводимость:
q+
[S]
q-
+
S
2
↓
q+
[S]
(1 +
x
)
[
Pb
]
[
S
]
q
-
Подобным образом
возникают вакансии в подрешетке серы
при обработке PbS
в парах свинца
с повышенным давлением. Переход от[
Pb
]
[
S
]
q
-
к[
Pb
]
q
+
[
S
]
осуществляется в очень узкой области
гомогенности - от
0,9995
0,0005
[S]
до [S]
0,9995
0,0005
; в этом узком интервале
изменений состава изменяются знак и
концентрация подвижных носителей
заряда.
На этом и других примерах образования фаз вычитания (ZnO 1 - x , С u 2 - x О, CdS 1 - x , и т. д.) можно видеть огромное значение вакансий в ионно-ковалентного характера соединениях переменного состава для возникновения тех или иных электрофизических свойств полупроводника.
Электропроводность
примесных полупроводников (точнее с
преобладающей концентрацией донорных
или акцепторных уровней) складывается
из двух слагаемых:
=
1
+
2
,
где
1
=
∙
e
и
2
=
∙
e
Здесь Δ Е - ширина запрещенной зоны собственно полупроводника;Δ Е" - энергия активации донорного или акцепторного центра (примеси).
Первое слагаемое выражает собственную проводимость, а второе - примесную проводимость полупроводника. При низкой температуре преобладает второй член, так как Δ Е" <Δ Е . С повышением температуры начинает больше проявляться собственная проводимость, а примесная теряет значение. Чем большеΔ Е , тем выше должна быть температура, при которой в примесном полупроводнике станет преобладать собственная проводимость. Так, в примесном кремнии собственная проводимость проявляется при более высокой температуре, чем в примесном германии, потому чтоΔ E Si =1,12 эв , аΔ E Ge =0,72 эв при комнатной температуре. Поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает60 - 80° С , а кремниевые приборы могут работать до200° С . Надо иметь в виду, что возникновение собственной проводимости, достигающей известной доли примесной, в примесном полупроводнике нарушает режим работы приборов.
Иногда при условии
активации практически всех донорных
или акцепторных центров, когда
собственная проводимость еще почти не
имеет значения, на кривой
= f (T)
может
появиться область понижения проводимости за счет преобладающего влияния падающей подвижности носителей заряда. При дальнейшем повышении Т и усилении генерации подвижных носителей заряда собственно полупроводника опять повышается проводимость.
Расположение примесных уровней в запретной зоне зависит от положения элемента в периодической системе. Например, в твердых растворах замещения элементы III А подгруппы являются одиночными акцепторами, а элементыV A подгруппы одиночными донорами. Литий может только внедряться в кристаллические решетки германия и кремния и создавать донорные уровни. Энергия активации примесных атомовIII А иV A подгрупп в германии значительно меньше, чем в кремнии. Это в известной мере объясняется большей диэлектрической проницаемостью германия(15,9) , чем кремния(11,9) . Интересно, что энергия активации акцепторовIII группы увеличивается от бора к индию. Это объясняется нарастанием металлических свойств элементов отВ кIn , вследствие чего способность к захвату электронов падает. Отсюда растет энергия активации акцептора.
Следует отметить, что полупроводники, в которые введена какая-либо примесь при определенной температуре, могут оказаться в неравновесном состоянии при рабочей температуре прибора. Это состояние может сохраняться (иногда долго при низкой температуре - ложное равновесие) или медленно изменяться, потому что процессы в твердых телах требуют значительной энергии активации. Однако под влиянием локального нагрева в том или другом полупроводниковом устройстве под влиянием облучения или под действием каталитического центра может начаться более быстрое изменение (диффузионное перераспределение вещества, выкристаллизация избытка примеси и т. п.). В результате теряется надежность устройства, так как изменяются его параметры. Все сказанное выдвигает определенные требования, касающиеся условий и методов приготовления полупроводников, пригодных для обеспечения надежной работы приборов.
p - n -переходы. Получение сплавного диода и триода. p-n- переходом называют переходный слой между электронной и дырочной областью в монокристалле полупроводника. Представим, что монокристалл германия разделен некоторой плоскостьюOR (рис. 24), по одну сторону которой, положим слева, находится однородная областьn- типа, а по другую сторону -р- типа проводимости. Это значит, что слева от плоскости преобладают донорные примеси, а справа - акцепторные. Допустим, концентрация акцепторовN а в областир и концентрация доноровN Д в областиn одинаковы и равны10 16 см -3 . Это может быть при некоторой температуре ниже300 0 К , при которойn р = n 2 i = 10 26 . Будем считать, что все примеси полностью активированы иn = N Д , ар = N a . Тогда в областиn концентрация равновесных дырокр n равна10 26 / 10 16 = 10 10 c м -3 . Такая же концентрация электроновn р в правой (дырочной) области.
Н
а
рис. 81 изображено постепенное изменение
концентрации электронов и дырок в
области перехода от электронной к
дырочной части полупроводника (между
плоскостямиММ
иМ
1
M
1
).
Рис. 81. Схема распределения примесей, дырок и электронов в полупроводнике с резким изменением типа проводимости
Такое равновесное распределение создается в силу присущей свободным электронам и дыркам способности диффундировать из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, что требуется законами термодинамики. Перемещение основных носителей через переход обусловливает так называемый диффузионный ток. Благодаря этому в некотором слое области р появится отрицательный заряд, а в областиn - положительный. Электроны, попадая изn - области вр- область, оставляют положительные ионы доноров вn - области и частично нейтрализуют дырки вр- области. Дырки, попадая изр- области вn - область, оставляют отрицательные ионы акцепторов вр- области и частично нейтрализуют электроны вn - области. Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров являютсянеподвижными носителями зарядов.
Таким образом, по обе стороны плоскости OR появляется двойной слой зарядов, противоположных по знаку. По одну сторону - вn - области - он обеднен электронами проводимо-
сти, а по другую - в р- области - обеднен дырками, т. е. основными подвижными носителями заряда. Создающееся поле противодействует диффузии дырок вn - область и диффузии электронов вр- область, вследствие чего и устанавливается равновесное распределение электронов и дырок, как изображено на рис. 81.
Область повышенного сопротивления р - n - перехода (между плоскостямиММ иМ"М" ) называется запорным слоем, потому что через него в прямом направлении (пропускном) справа налево электрический ток проходит легко, а в обратном направлении (запорном) - слабо. В результате запорный слой обладает выпрямляющим действием. В зависимости от рода полупроводника ир - n - перехода ширина запорного слоя бывает от долей микрометра до нескольких микрометров.
Для выпрямления переменного тока служит полупроводниковый диод, представляющий собой полупроводниковый кристалл, разделенный на две части р - n- переходом, с укрепленными на электронной и дырочной частях металлическими невыпрямляющими контактами.
Рассмотрим, как будет вести себя запирающий слой во внешнем переменном поле. Когда внешнее поле направлено от электронного полупроводника к дырочному, то оно усиливает существующее контактное поле. Основные подвижные носители заряда разойдутся в противоположные стороны от р - n - перехода. Из-за этого увеличится ширина запорного слоя, а, следовательно, возрастет его сопротивление. Когда знак приложенной разности потенциалов изменится на обратный, то внешнее поле ослабит контактное поле и может даже его перекрыть, вследствие чего ширина запорного слоя станет меньше равновесной и сопротивление его уменьшится. В пропускном направлении тока дырки изр- области и электроны изn- области движутся навстречу друг другу к плоскостиOR , в запорном - они расходятся от плоскостиOR . Таким образом, в переменном поле толщина запорного слоя то увеличивается, то уменьшается, что обеспечивает преимущественно одностороннюю проводимость выпрямляющей системы.
Зависимость силы тока от величины и направления приложенного напряжения к р - n - переходу характеризуется вольт- амперной кривой, изображенной на рис. 82.
Рис. 82. Вольт - амперная характеристика р - n - перехода
Правая ее ветвь характеризует прямое направление тока, а левая - обратное. Чем слабее обратный ток, тем лучше выпрямляющее действие диода.
Для получения р - n - переходов обычно пользуются сплавлением и диффузией. При получениир - n - перехода для германиевого диода методом сплавления монокристаллn - типа разрезают на квадратные пластины со сторонами1,5 - 2 мм и толщиной порядка200 мкм . Загрязненный поверхностный слой удаляют протравливанием в кипящем пергидроле (30 % Н 2 O 2 ) с небольшим количеством щелочи или в более сильном травителеСР - 4 (15 см 3 48 % - ной плавиковой кислоты,25 см 3 70 % - ной азотной кислоты,15 см 3 ледяной уксусной кислоты и0,3 см 3 брома). При травлении германий окисляется и переходит в раствор до тех пор, пока толщина пластинок станет 75- 100 мкм . В качестве акцепторной примеси для германия берут индий в виде шариков или дисков диаметром ~1 мм .
Их тоже подвергают травлению.
Промытые деионизированной водой и высушенные индиевые диски и германиевые пластинки закладывают в графитовые кассеты; индиевые диски в них прилегают к пластинкам с одной стороны (или с двух - для получения р - n - р - переходов при изготовлении триода). Кассету помещают в вакуумную или водородную печь и нагревают до~500° С . Так как индий плавится при156° С , то, будучи расплавленным, он смачивает поверхность германия, растворяет его, и в пластинке появляется углубление, заполненное расплавленным раствором германия в индии (рис. 83).
Если пластины правильно нарезались по плоскостям {111} , то фронт проплавления плоский, что очень важно, и глубина проплавления при достаточном времени зависит от количества индия и температуры сплавления в соответствии с диаграммой, изображенной на рис. 61,б . При остывании расплава германий начинает кристаллизоваться и захватывать не-
большое число атомов индия, cкоторым он образует твердый раствор замещения. Рекристаллизационная область будет дырочной (рис.83,г ).
Рис. 83. Схематичное изображение процесса получения
сплавного р - n переходаа - до плавления индия;б - расплавление индия и смачивание поверхности германия;в - растворение германия в индии;г - рекристаллизация
Таким образом, на основе пластинки n- германия вырастает пленка дырочного германия. К концу рекристаллизации закристаллизовывается чистый индий, и застывшая капля индия играет роль невыпрямляющего контакта с дырочным слоем полупроводника. Материалом для получения второго (невыпрямляющего) контакта сn - германием служит олово или золото с небольшим количеством донорной примеси. Можно поверхность пластиныn- германия залудить и потом к ней припаять внешний вывод. Однако проблема получения невыпрямляющих контактов весьма сложная.
Затем диод протравливают и промывают деионизованной водой. Его покрывают слоем вещества (лаки, кремнийорганические соединения и т. п.), защищающего от вредного влияния атмосферных газов и паров воды. Так изготовляют плоскостные диоды и триоды.
В методе термической диффузии на поверхность полупроводниковой пластины наносят тонкий слой соответствующего элемента, атомы которого в условиях нагрева в вакуумной печи диффундируют в толщу полупроводника и создают нужный тип проводимости. Используют также метод газовой диффузии в твердый полупроводник. В связи с развитием микроминиатюризации радиоаппаратуры и, в частности, для создания твердых схем диффузия находит себе применение в сочетании с напылением проводящих пленок на том же кристалле.
В последнее время применяются так называемые эпитаксиальные пленки. Их получают наращиванием полупроводника на основной кристалл. Пленки должны точно повторять кристаллическую структуру подложки, но могут отличаться типом проводимости, вследствие чего можно создать р - n- переходы с заданной концентрацией носителей зарядов, получить низкоомные слои на высокоомных полупроводниках и наоборот. Широко используются в промышленности методы наращивания эпитаксиальных пленок кремния и германия в случае восстановления тетрахлоридов очень чистым водородом при повышенной температуре:
SiCl
4
+ 2Н
2
4НС1
+ Si
GeCl
4
+ 2Н
2
4НС1
+ Ge
Атомы кремния и германия выделяются из тетрахлоридов под действием водорода в потоке газов (газотранспортные реакции) и обычно осаждаются эпитаксиально на горячих подложках. Легирующие примеси вводят, добавляя летучие вещества в тетрахлорид или в систему газообразных веществ в виде отдельного потока, регулируемого игольчатыми вентилями. Этим методом выращивают многослойные монокристаллические пленки с контролируемым содержанием и распределением примесей в слоях. Метод требует очень высокой чистоты и точности обработки поверхности полупроводника, являющегося подложкой. Для изготовления так называемых поверхностно-барьерных триодов осаждают электролизом, например, индий на германий и т.д.
полупроводников (лекция 1)
В рамках макроскопической теории, рассматривающей диэлектрик как сплошную среду, электрические свойства диэлектриков (высокое электрическое сопротивление и способность к поляризации) объясняются тем, что в металлах концентрация свободных электронов практически такая же, как и атомов (n е ~ 10 23 см –3), а в диэлектриках свободных электронов чрезвычайно мало (при комнатной температуре n е ~ 10 8 –10 15 см –3).
С точки зрения микроскопической теории диэлектриков различная концентрация свободных электронов в диэлектриках и металлах обусловлена разной природой их химических связей (рис. 1).
Любая связь атомов, молекул или ионов представляет собой электрическое взаимодействие. Отталкивание сблизившихся частиц обусловлено перекрытием электронных оболочек. Потенциальная энергия отталкивания быстро убывает с расстоянием U от ~ ехр (–r /r o) или ~ r –8 – r –11 . Потенциальная энергия притяжения – более дальнодействующая: в ионных кристаллах она пропорциональна r –1 , в ковалентных – убывает с расстоянием быстрее (~ r –2 – r -–4), а в молекулярных кристаллах она изменяется в пределах r –4 – r –6 . В то время как для проводников характерна металлическая связь, основанная на общности всех электронов, в диэлектриках встречается ионная, ковалентная, молекулярная и вторичная (дисперсионная) связь, которая обусловлена связанными состояниями электронов. В результате электрическое поле, приложенное к диэлектрику, практически не приводит к переносу свободных электронов – электропроводности, но вызывает смещение связанных электронов – электрическую поляризацию. При этом в индуцированной внешним электрическим полем поляризации участвуют практически все составляющие диэлектрик частицы, изменяющие свое взаимное расположение, в то время как только очень немногие из заряженных частиц, оказавшись сравнительно свободными, переносят через диэлектрик электрические заряды и обусловливают электропроводность.
При воздействии на диэлектрик различных полей: электрического, магнитного или механического, а также при изменении температуры или освещенности диэлектриков в них происходят разнообразные физические явления, большинство из которых обусловлено поляризацией и поэтому характерно только для диэлектриков. В то же время некоторые из физических явлений, например электропроводность, наблюдаются также в полупроводниках и в металлах. В связи с этим следует рассмотреть принципиальные различия между этими классами веществ.
Диэлектрики и металлы существенно отличаются друг от друга как по электрическим и оптическим, так и по тепловым и механическим свойствам.
Остановимся сначала на электрических свойствах. На рис. 2 сравнивается температурный ход проводимости диэлектриков и металлов.
Эти зависимости противоположны: в то время как в диэлектриках величина растет с температурой по экспоненциальному закону (поскольку тепловое движение генерирует новые носители заряда), в металлах изменяется примерно как Т –1 ввиду рассеяния носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки. При низких температурах проводимость металлов резко возрастает, придавая им состояние сверхпроводимости. В диэлектриках, напротив, при низких температуpax стремится к нулю, так как в отсутствие теплового движения и радиационных воздействий свободные носители заряда не генерируются.
Электрическая поляризация, представляющая собой важнейшее явление для диэлектриков, в металлах не возникает из-за высокой концентрации свободных электронов, которые образуют почти свободный электронный газ, окружающий положительно заряженные ионы. Наличие такого газа приводит к экранированию электрического поля. Лишь при очень высоких частотах (около 10 16 Гц), значительно превышающих частоту видимого глазом света, становится возможной поляризация смещения глубинных электронных оболочек ионов относительно ядер. Эти процессы поляризации металлов, происходящие на частотах, больших, чем оптические, и определяют диэлектрическую проницаемость металлов.
В полупроводниках, а также в диэлектриках при повышенной температуре поляризация и электропроводность во внешних полях проявляются одновременно. Однако их различить нетрудно: электрический ток, обусловленный электропроводностью, изменяется синфазно с приложенным напряжением и существует все время, пока приложено электрическое поле. В то же время поляризация вызывает ток смещения, сдвинутый по фазе на /2 относительно синусоидального электрического поля.
Сравнивая оптические свойства диэлектриков и металлов, следует отметить, что свободные электроны в металлах приводят к практически полному отражению электромагнитных волн от поверхности металлов, чем и объясняется их характерный блеск.
Напротив, электромагнитные волны оптической частоты легко проникают в диэлектрики, причем большинство диэлектриков оптически прозрачны (окраска и непрозрачность некоторых из них объясняются наличием поглощающих свет ионов и примесей или рассеянием света на неоднородностях структуры).
Тепловые свойства диэлектриков и металлов отличаются главным образом величиной теплопроводности. Высокая теплопроводность металлов объясняется участием в переносе теплоты газа свободных электронов, в то время как в твердых диэлектриках теплота распространяется в основном за счет колебаний кристаллической решетки. По величине теплового расширения, а также по величине теплоемкости металлы и диэлектрики качественно не различаются (теплоемкость электронного газа металлов благодаря квантовым эффектам очень невелика по сравнению с вкладом в величину теплоемкости от колебаний кристаллической решетки).
По своим механическим свойствам кристаллические диэлектрики отличаются большей хрупкостью и твердостью, в то время как металлы более пластичны и упруги. В этом также сказывается влияние свободных электронов на свойства металлов, которые кристаллизуются в простые, плотно упакованные решетки, где преобладающей силой взаимодействия является металлическая связь. Другие виды электрической связи между атомами в металлах экранируются свободными электронами. В диэлектриках, напротив, часто образуются сложные многоатомные структуры с весьма различными по физической природе взаимодействиями структурных элементов.
Изучение многих свойств диэлектриков и металлов показывает, что их основные различия в рамках классической физики обусловлены наличием в металлах свободных электронов, а в диэлектриках – связанных; в квантовом представлении эти различия объясняются зонной теорией.
Структура энергетических зон электронов в кристаллических диэлектриках и металлах качественно различна. При сближении атомов и образовании кристалла электронные уровни энергии атомов за счет их взаимодействия расщепляются, образуя зоны (рис. 3). Особенно сильное расщепление происходит для энергетических уровней внешних (валентных) электронов, так как они сильнее взаимодействуют друг с другом, чем электроны глубинных оболочек атома. Вид электронных спектров кристаллов зависит от особенностей атомных волновых функций частиц и от степени перекрытия их при сближении атомов в процессе образования кристалла.
Электронные спектры металлов, полуметаллов, полупроводников и диэлектриков сравниваются на рис. 3.
В металлах различие между валентной зоной и зоной проводимости несущественно, вследствие чего электроны легко изменяют энергию, переходя с уровня на уровень, и поэтому практически свободны. Электроны в металлах не локализованы – принадлежат всему кристаллу и не образуют пространственно направленных связей между ионами. Во всех остальных кристаллах большинство электронов в той или иной мере локализовано. В полуметаллах, правда, энергия возбуждения практически равна нулю, так что даже при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, существуют подвижные электроны, обеспечивающие проводимость.
Тем не менее уже в полуметаллах большая часть электронов локализована между атомами и образует в кристалле пространственно направленные связи.
В полупроводниках (главным образом – ковалентных кристаллах) валентные электроны образуют четко направленные орбитали, связывающие атомы, а энергия возбуждения (ширина энергетической щели W ) превышает тепловую энергию (W > kT ), но ниже энергии кванта видимого света (W 1,68–3,26 эВ). В диэлектриках (главным образом – в ионных и молекулярных кристаллах) валентные электроны локализованы в еще большей степени: не на связях между атомами, а вблизи отдельных анионов или молекул. Энергия связи электронов в диэлектриках намного превышает не только тепловую (W ~ kT ), но и энергию кванта видимого света (W > hv ). Поэтому вероятность возбуждения электронов мала. Кроме того, малая кривизна зон в диэлектрике в окрестности экстремумов (рис. 3, а ) означает большие эффективные массы носителей заряда, т. е. приводит к их низкой подвижности.
Диэлектрики и полупроводники качественно подобны: и те и другие имеют энергетическую щель в спектре электронных состояний. Однако в полупроводниках эта щель (запрещенная зона) гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников заключена в широком интервале, разделяющем проводимость металлов и диэлектриков. Например, для кремния при 300 К σ = 5 10 –4 См/м, а для германия
σ = 2,5 См/м, что в 10 6 –10 10 раз превышает проводимость диэлектриков и в то же время в 10 6 –10 10 раз уступает проводимости металлов. Зависимость σ (Т ) полупроводников лишь в исключительных случаях и в небольшом температурном интервале может носить металлический характер: как правило, и в полупроводниках, и в диэлектриках температурные зависимости проводимости подобны. Ширина энергетической щели в германии равна 0,72 эВ, а в кремнии – 1,12 эВ, в то время как в алмазе – диэлектрике с такой же кристаллической структурой – запрещенная зона равна 7 эВ. Таким образом, с точки зрения зонной теории полупроводники принципиально отличаются от металлов наличием энергетической щели, в то время как между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Считается, что при W < 2–3 эВ кристалл можно отнести к полупроводникам, а при больших W – к диэлектрикам.
Количественное различие в ширине запрещенной зоны и величине проводимости приводит к существенной разнице в оптических, магнитных и электрических свойствах диэлектриков и полупроводников. В оптическом диапазоне длин волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и характеризуются почти металлическим блеском. Причина в том, что узкая энергетическая щель полупроводников позволяет световым квантам с энергией около 3 эВ возбуждать свободные электроны, что и приводит (как в металлах) к отражению света. В диэлектриках такое отражение происходит в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра.
Ковалентные кристаллы полупроводников (типа кремния) в отличие от ионных кристаллов – диэлектриков прозрачны в инфракрасной области спектра, так как энергия квантов этой частоты недостаточна для возбуждения свободных электронов. Поэтому кремний и германий на частотах 10 11 –10 13 Гц используются как весьма совершенные и прозрачные материалы оптических элементов инфракрасной техники. Следовательно, эти типичные полупроводники в определенном частотном диапазоне играют роль весьма совершенных диэлектриков, в то время как обычно применяемые в оптике стекла и ионные кристаллы в инфракрасной области сильно отражают и поглощают электромагнитные волны (в этом диапазоне находятся собственные частоты колебаний кристаллической решетки). Таким образом, следует не разделять вещества на диэлектрики и полупроводники, а различать полупроводниковые и диэлектрические свойства кристаллов, обладающих энергетической щелью в спектре электронных состояний.