Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Что такое полупроводники (для "чайников")

Ключевые слова:  наноазбука, периодика, полупроводники

Автор(ы): Беззубов С.И., Воробьева Н.А., Ефимов А.А.

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

22 декабря 2010

В этой статье ну нет ничего экстраординарно важного и интересного, только ответ на простой вопрос для "чайников", какие основные свойства отличают полупроводники от металлов и диэлектриков?

Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (между зоной проводимости и валентной зоной).

Электронными полупроводниками называют кристаллы и аморфные вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное положение между металлами (σ = 104÷106 Ом-1·см-1) и диэлектриками (σ = 10-10÷10-20 Ом-1·см-1). Однако приведённые граничные значения проводимости весьма условны.

Зонная теория позволяет сформулировать критерий, который даёт возможность разделить твёрдые тела на два класса – металлы и полупроводники (изоляторы). Металлы характеризуются наличием в валентной зоне свободных уровней, на которые могут переходить электроны, получающие дополнительную энергию, например, вследствие ускорения в электрическом поле. Отличительная особенность металлов заключается в том, что у них в основном, невозбуждённом состоянии (при 0 К) имеются электроны проводимости, т.е. электроны, которые участвуют в упорядоченном движении по действием внешнего электрического поля.

У полупроводников и изоляторов при 0 К валентная зона заселена полностью, а зона проводимости отделена от неё запрещённой зоной и не содержит носителей. Поэтому не слишком сильное электрическое поле не в состоянии усилить электроны, расположенные в валентной зоне, и перевести их в зону проводимости. Иными словами, такие кристаллы при 0 К должны быть идеальными изоляторами. При повышении температуры или облучении подобного кристалла электроны могут поглотить кванты тепловой или лучистой энергии, достаточные для перехода в зону проводимости. В валентной зоне при этом переходе появляются дырки, которые также могут участвовать в переносе электричества. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости пропорциональна (g/kT), где Еg – ширина запрещённой зоны. При большой величине Еg (2-3 эВ) эта вероятность оказывается очень малой.

Таким образом, подразделение веществ на металлы и неметаллы имеет вполне определённую основу. В отличие от этого деление неметаллов на полупроводники и диэлектрики такой основы не имеет и является чисто условным.

Ранее считали, что к диэлектрикам можно отнести вещества с величиной запрещённой зоны Еg ≈ 2÷3 эВ, однако позже выяснилось, что многие из них являются типичными полупроводниками. Более того, было показано, что в зависимости от концентрации примесей или избыточных (сверх стехиометрического состава) атомов одного из компонентов один и тот же кристалл может быть и полупроводником, и изолятором. Это относится, например, к кристаллам алмаза, оксида цинка, нитрида галлия и т.д. Даже такие типичные диэлектрики как титанаты бария и стронция, а также рутил при частичном восстановлении приобретают свойства полупроводников, что связано с появлением в них избыточных атомов металлов.

Деление неметаллов на полупроводники и диэлектрики также имеет определённый смысл, поскольку известен целый ряд кристаллов, электронную проводимость которых не удается заметно повысить ни путём введения примесей, ни путём освещения или нагрева. Это связано либо с очень малым временем жизни фотоэлектронов, либо с существованием в кристаллах глубоких ловушек, либо с очень малой подвижностью электронов, т.е. с чрезвычайно низкой скоростью их дрейфа в электрическом поле.

Электропроводность пропорциональна концентрации n, заряду e и подвижности носителей заряда. Поэтому температурная зависимость проводимости различных материалов определяется температурными зависимостями указанных параметров. Для всех электронных проводников заряд е постоянен и не зависит от температуры. В большинстве материалов величина подвижности обычно слабо уменьшается с ростом температуры из-за увеличения интенсивности столкновений между движущимися электронами и фононами, т.е. из-за рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решётки. Поэтому различное поведение металлов, полупроводников и диэлектриков связано в основном с концентрацией носителе заряда и её температурной зависимостью:

1) в металлах концентрация носителей заряда n велика и слабо изменяется при изменении температуры. Переменной величиной, входящей в уравнение для электропроводности, является подвижность. А поскольку подвижность слабо уменьшается с температурой, то также уменьшается и электропроводность;

2) в полупроводниках и диэлектриках n обычно экспоненциально растёт с температурой. Этот стремительный рост n вносит наиболее существенный вклад в изменение проводимости, чем уменьшение подвижности. Следовательно, электропроводность быстро увеличивается с повышением температуры. В этом смысле диэлектрики можно рассматривать как некоторый предельный случай, так как при обычных температурах величина n в этих веществах крайне мала. При высоких температурах проводимость отдельных диэлектриков достигает полупроводникового уровня из-за роста n. Наблюдается и обратное – при низких температурах некоторые полупроводники становятся диэлектриками.

Список литературы

  1. Вест А. Химия твердого тела. Ч.2 Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 336 с.
  2. Современная кристаллография. Т.4. Физические свойства кристаллов. – М.: Наука, 1981.

Студенты 501 группы химического факультета: Беззубов С.И., Воробьева Н.А., Ефимов А.А.



Средний балл: 7.0 (голосов 8)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 22 декабря 2010 10:25 

1. "Что такое полупроводники (для "чайников")";
2. "Электронными полупроводниками называют ... и аморфные вещества"
Предположим, что из чайника, если его поставить на лёд и в него опустить серебряную бабушкину ложечку, которая уткнётся снизу в аморфную границу тонкой наледи на старой накипи, а сверху облокотится на эмаль отверстия под крышку и, наполненного в основном (кое что мы туда сейчас подсыпим ) водой, у границы ноль град. по Цельсию в районе дна чайника, любому "чайнику" можно получить аморфный полупроводник???
Юный максималист, 22 декабря 2010 12:07 
1) подразумевается, что "чайники" априори знают про запрещенную зону (а также
зону проводимости и валентную зону);
2) насчет того, что диэлектрики с большой шириной зоны являются "типичными"
полупроводниками, это конечно классно сказано.
3) ну и так, для общего развития - подвижность носителей от температуры
зависит немонотонным образом (потому что происходит изменение механизма
рассеяния с рассеяния на примесях на рассеяние на фононах). http://dssp....rt10.10.htm
Но это не для "чайников".
Клюев Павел Геннадиевич, 22 декабря 2010 13:28 
про запрещенную зону и зонную теорию можно почитать еще здесь http://eleme...refil/21068 и здесь http://www.f...1/1256.html
Трусов Л. А., 22 декабря 2010 14:22 
для чайников и без картинок... ну-ну
Да согласен, картинок не хватает
Не сказано про примесную проводимость: донорную и акцепторную, которая может менять параметры чистого (без примеси) полупроводника. Нет информации о безщелевых полупроводниках, очень модном сегодня графене.
Пастух Евфграфович, 29 декабря 2010 16:10 
«Тривиализовать» задачу» не так уж и легко
Для "чайников", но не совсем.
Так можно было бы сказать, если бы написанное было понятно школьнику, например, 4-го класса. А может слишком уж маленьких называю? Ну пусть немного постарше. А то они посмотрят в текст и не поймут, что куда бежит.
Большие чайники написали для маленьких чайничков...
Большие чайники написали сказочку для маленьких чайничков...
Теперь я не большой чайник-)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наносоты
Наносоты

Конкурс СЗМ-изображений 2017 от компании НТ-МДТ Спектрум Инструментс
Примите участие в конкурсе, поделитесь своими результатами с мировым СЗМ-сообществом и получите ценные призы!

Лауреатом премии Rusnanoprize 2017 стал создатель высокоэффективных солнечных ячеек Михаэль Гретцель
Обладателем международной премии в области нанотехнологий Rusnanoprize 2017 за разработки в области наноматериалов и модификации поверхностей стал швейцарский учёный Михаэль Гретцель. Торжественная церемония награждения лауреата состоялась на Форуме «Открытые инновации».

Школа на ладони: у нас есть из чего строить будущее!
В начале октября 2017 года стартовала XI осенняя сессия конкурсной образовательной программы для школьников «Школа на ладони»

Вспомнить все (total recall). Часть 3. Методы исследований в нанотехнологиях (практика)
Коллектив авторов
В третьей части рассматриваются экспериментально - практические материалы, связанные с методами анализа продуктов нанотехнологий, в том числе стандартные аналитические, физико – химические и структурные методы анализа. Участники могут изучать отдельно данный курс или комбинировать его с двумя предыдущими.

Вспомнить все (total recall). Часть 2. Решение задач и проектная работа (образование и самоподготовка)
Коллектив авторов
Во второй части рассматриваются обзорные материалы материалы по нанотехнологическому образованию и проектной деятельности (Раздел А), текстовый и иллюстративный материал по образовательным и социальным аспектам с сфере нанотехнологий (Раздел Б), а также самый важный раздел для подготовки к Олимпиадам данной серии, содержащий сборники заданий и решений за 10 олимпиадных лет (Раздел В).

Вспомнить все (total recall). Часть 1. Наноматериалы и нанотехнологии (теоретические аспекты)
Коллектив авторов
В первой части рассматриваются теоретические материалы, сгруппированные по важнейшим темам (Раздел А), уровню сложности (Раздел Б), для свободного чтения по основным группам рубрикатора РОСНАНО (Раздел В), а также для прохождения викторин самоконтроля (Раздел Г).

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.