Питому провідність у твердих діелектриках можна записати у вигляді

= nqu,

де n – число носіїв в одиниці об'єму, м^-3 ; q – заряд носія, Кл; u – рухливість м²/(Вс).

При іонній електропровідності число дисоційованих іонів і їхня рухливість знаходяться в експонентній залежності від температури:

n_т = n exp [- W_д /(k)],

u_т = u_max exp[ – W_пер /(k)],

де n -загальне число електронів у 1м³; W_д – енергія дисоціації; k -теплова енергія; u_max гранична рухливість іона; W_пер - енергія переміщення іона.

Підставляючи n_т і u_т у рівняння для питомої провідності і об'єднавши постійні n, u_max, і q в один коефіцієнт А, одержимо

= А exp ( - b/T),

де b = (W_д + W_пер)/ k

З цієї формули випливає, що чим більше значення енергії переміщення й енергії дисоціації, тим значніше змінюється питома провідність при зміні температури.

У зв'язку з тим, що звичайно W_д›› W_пер, температурна залежність питомої провідності визначається в основному зміною концентрації носіїв.

При напругах, близьких до значення напруги пробою, у створенні струму поряд з іонами беруть участь і електрони.

У речовинах кристалічної будови з іонними ґратками електропровідність зв'язана з валентністю іонів. Кристали з одновалентними іонами мають більшу провідність, ніж кристали з багатовалентними іонами.

В анізотропних кристалах питома провідність неоднакова по різних осях кристала.

У твердих пористих діелектриках при поглинанні ними вологи питома провідність істотно підвищується, особливо в тих випадках, коли в діелектрику є домішки, легко розчинні у воді. Для зменшення вологовбирання і вологопро-никливості пористих діелектриків їх піддають просоченню.

2.Напівпровідникові матеріали види, властивості , застосування.

Сьогодні, коли виробництво напівпровідників стало окремою галуззю промисловості і сьогодні, коли напівпровідники все в більшій мірі визначають рівень прогресу в таких галузях як радіоелектроніка, обчислювальна техніка, зв'язок, автоматизація виробництва, знання фізики напівпровідників стає потребою не тільки фахівців у даній галузі, але і більш широкого кола людей. Вимоги промисловості та техніки стимулюють у наш час розвиток науки і фізики напівпровідників зокрема. За п’ятдесят років свого розвитку фізика напівпровідників та промисловість із нею пов’язана, пройшла великий шлях, від перших діодів до мікросхем. У мікросхемі 1965 року випуску було 30 транзисторів, тоді як сьогодні чип Radeon HD 3870 містить 660 мільйонів транзисторів.

Для створення напівпровідникових виробів потрібно мати розвинуту промисловість, адже потрібно виготовляти чисті кристали кремнію та германію, вміст домішок у яких буде надзвичайно малим (до 10^-10). Довгий час це було неможливо. Потрібно вміти вводити в кристали кремнію точно дозовані кількості домішок, тощо. Але все це було б неможливим без знання внутрішньої будови напівпровідників. Фізика напівпровідників саме і вивчає будову напівпровідників, вона встановила певні загальні принципи їх функціонування, тощо.

Поняття напівпровідників

Всі речовини в природі по електрофізичних властивостях можуть бути розділені на три великі класи: метали, напівпровідники і діелектрики. Найпростіше, здавалося б, класифікувати речовини по питомому електричному опору. У металів він знаходиться в межах 10^-6 – 10^-4 Ом∙см (наприклад, питомий опір срібла при кімнатній температурі складає 1,58∙10^-6 Ом∙см, сплав ніхром має питомий опір 1,05∙10^-4 Ом∙см). Речовини з питомим опором від 10^-4 до 10¹⁰ Ом∙см були віднесені до напівпровідників (наприклад, питомий опір сірчистого кадмію при кімнатній температурі залежно від технології його виготовлення лежить в межах від 10^-3 до 10¹² Ом∙см, а германію – від 10^-4 до 47 Ом∙см). Нарешті, речовини з питомим опором більше 10¹⁰ Ом∙см вважаються діелектриками (наприклад, при 200 °С питомий опір слюди залежно від її складу має 10¹³ – 10¹⁶Ом∙см, скла – 10 ⁸ – 10¹⁵ Ом∙см).

З наведених прикладів видно, що при переході від одного класу речовини до іншого значення питомого опору перекриваються. Тому питомий опір не може служити як однозначний критерій для класифікації речовин. Однак при знятті температурних залежностей питомого опору розходження між металами й напівпровідниками часто проявляється досить чітко.

Для напівпровідників характер температурної залежності питомого опору і провідності інший. Для деякого інтервалу температур ці залежності мають вигляд:

де – деякі постійні для даного інтервалу температур величини, характерні для кожної напівпровідникової речовини.

Такі залежності питомого опору і провідності від температури мають так звані не вироджені напівпровідники. Для них, як видно з графіка температурної залежності питомої провідності, наведеного на малюнку 1.1. характерна наявність позитивного температурного коефіцієнта питомої провідності, тобто:

>0,

Малюнок. 1.1. Зміна питомого опору кремнію залежно від температури.

Отже, напівпровідники – це такі речовини, які при кімнатній температурі мають питому провідність в інтервалі від 10^-10 до 10⁴ См (Ом ^-1∙см ^-1), залежну в значній мірі від структури речовини, вигляду і кількості домішок і від зовнішніх умов: температури, тиску, освітлення, опромінювання ядерними частинками, електричного і магнітного полів.

Згідно цьому визначенню між напівпровідниками і діелектриками не існує принципової якісної відмінності, бо вони володіють провідністю тільки унаслідок теплового збудження носіїв заряду. Більш різні за своєю природою метали і напівпровідники. У металів провідність слабо залежить від присутності домішок, зовнішніх умов і при будь-якій температурі концентрація вільних електронів залишається постійною і складає величину порядку 10²² см^-3. Відмінність між металами і напівпровідниками виявляється і в тому, що при проходженні струму через ланцюг, що складається з двох напівпровідників, сила струму нелінійно залежить від прикладеної до ланцюга різниці потенціалів.

Напівпровідникові речовини також можуть бути як електронними, так і іонними.

До електронних напівпровідників відноситься величезна кількість самих різних речовин. Напівпровідниками є як прості речовини: бор В, вуглець С, кремній Si, фосфор Р, сірка α-S, германій Ge, миш'як As, сіре олово α-Sn, сурма β-Sb, селен Se (червоний), теллур Тe, йод J, так і багато складних хімічних сполук.

Окрім неорганічних речовин напівпровідниковими властивостями володіють також і деякі органічні речовини, такі, як фталоцианіни і поліциклічні ароматичні вуглеводні (наприклад, бензол, нафталін, антрацен, нафтацен і ін.).

Будова напівпровідників. Особливості напівпровідникових матеріалів

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає за екпоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшення електропровідності власних напівпровідників.

До напівпровідників відноситься велика кількість речовин і елементів, що по своїх електричних властивостях займають проміжне положення між провідниками і діелектриками.

Формальною ознакою приналежності речовини до класу напівпровідників є величина питомої електропровідності, що для них може приймати значення в межах s=102…10–8 См/м (до провідників відносяться речовини з питомою електропровідністю s=104…103 См/м, до діелектриків – речовини, що мають s<10–12 См/м).

Найважливішою властивістю й ознакою напівпровідників є залежність їхніх електричних властивостей від зовнішніх умов: температури, освітленості, тиску, зовнішніх полів і т.д. Характерна риса напівпровідників полягає в зменшенні їхнього питомого опору зі збільшенням температури.

Найбільш широке застосування в напівпровідниковій техніці одержали германій, кремній, селенів, а також напівпровідникові з'єднання типу арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію й інші.

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто закономірне й упорядковане розташування їхніх атомів у просторі. У кристалах зв'язані між собою атоми розташовуються строго певним чином і на однакових відстанях один від одного, у результаті чого утворюються своєрідні ґрати з атомів, що прийнято називати кристалічною решіткою твердого тіла. Для прикладу на малюнку 2.1 показана структура кристалічної германія.

Малюнок. 2.1. – Структура кристалічної решітки германія

Між атомами кристалічних решіток існують зв'язку. Вони утворюються валентними електронами, що взаємодіють не тільки з ядром свого атома, але і з сусідніми. У кристалах германія зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами – по одному від кожного атома. Схематично це показано на малюнку 2.2. Такий зв'язок між атомами називається двохелектронний, або ковалентний.

Малюнок 2.2. – Ковалентний зв'язок атомів

Характерна риса двох електронних зв'язків полягає в тому, що при їхньому утворенні електрони зв'язку належать вже не одному, а відразу обом, зв'язаним між собою атомам, тобто є для них загальними. У результаті зовнішня орбіта кожного з атомів має як би по вісім електронів і стає цілком заповненою. Кристалічна решітка, у якій кожен електрон зовнішньої орбіти зв'язаний ковалентними зв'язками з іншими атомами речовини, є ідеальної. У такому кристалі усі валентні електрони міцно зв'язані між собою і вільних електронів, що могли б брати участь у переносі зарядів, немає. Такі кристалічні решітки мають усі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (–273 °С). У цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.