6 Активные компоненты (полупроводники)

6.1 Диэлектрики, проводники, сверхпроводники и полупроводники

По электропроводности вещества можно разделить на четыре группы: диэлектрики, проводники, сверхпроводники и полупроводники.

Диэлектрики – это вещества, которые существенно препятствуют протеканию через них электрического тока ввиду высокого удельного сопротивления, часто превышающего 10⁸ Ом • м. Диэлектрики, которые применяют в качестве изоляции, например, проводов, обычно обладают на много порядков более высоким сопротивлением.

Проводники – это материалы, которые почти не препятствуют протеканию по ним электрического тока благодаря низкому удельному сопротивлению, обычно не превышающему 10^–5 Ом • м. Металлические проводники используют в кабелях и проводах в качестве токоведущих шин.

Сверхпроводники – это материалы, которые при охлаждении до некоторой критической температуры резко уменьшают удельное сопротивление до нуля. В результате отсутствуют потери энергии на омическом сопротивлении, что позволяет создавать мощные высокоэффективные кабели, трансформаторы мощностью в мегаватты с высоким КПД и т.п. К сверхпроводникам относят соединения NbN, NbTi, Nb₃Sn и другие. У большинства сверхпроводников критическая температура лежит вблизи абсолютного нуля, что снижает практическую пригодность этих материалов.

Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых зависит от внешних условий, например, флюктуаций температуры, изменений интенсивности облучения световым потоком и прочего. В результате, в определённых условиях полупроводники могут менять своё удельное сопротивление, и оно может стать со всеми промежуточными градациями либо таким, как у проводников, либо как у диэлектриков. При температуре вблизи абсолютного нуля полупроводники обладают диэлектрическими свойствами, а при нагреве выше определённой критической температуры они проявляют свойства проводников. Зависимость их сопротивления от температуры нелинейна.

6.1.1 Диапазоны энергий и распределение носителей заряда в них

Энергетические зоны – это диапазоны энергий, к которым можно отнести энергии электронов. Зоной валентности называют такой диапазон энергий, внутри которого находится энергия электрона, который удерживается кристаллической решёткой. Чтобы электрон покинул атом кристаллической решётки, ему необходимо сообщить большую энергию, чем ширина запрещённой зоны. Зоной проводимости именуют диапазон энергий, в котором находится энергия электрона, который больше не связан с определённым атомом кристаллической решётки. Уровень Ферми – это такой энергетический уровень, на котором с вероятностью ¹/₂ находится электрон, и который постоянен при флюктуациях температуры. Зонная энергетическая диаграмма – это рисунок, на котором показаны энергетические зоны. Зонные энергетические диаграммы, которые характерны диэлектрикам, полупроводникам и проводникам, изображены на рисунке 22.

Рисунок 22 – Зонные диаграммы материалов

На данной зонной диаграмме изображение над буквой (а) соответствует диэлектрикам, над буквой (б) – полупроводникам, а над буквой (в) – проводникам. По вертикальной оси отложена энергия электронов, а горизонтальная ось безразмерна. Между зонами проводимости и валентности диэлектриков большой незаполненный промежуток, и упорядоченное движение носителей заряда отсутствует. Между энергетическими зонами проводимости и валентности полупроводников расстояние не велико, и в зоне валентности допустимо появление дырок, а в зоне проводимости такого же числа электронов, что может обеспечить условия протекания тока. Между зонами проводимости и валентности расположена запрещённая зона. Энергетические зоны валентности и проводимости металлов взаимно перекрываются. В результате передача даже незначительной энергии способна привести к протеканию тока.