4. Металлы, диэлектрики

Металл (название происходит от лат. metallum — шахта) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и др.

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск)

Диэлектрики - вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá — через и англ. electric — электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы (Д.) и проводники (металлы, Электролиты, Плазма). Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление ρ порядка 10^8—10^17 ом·см, а у металлов ρ Диэлектрики 10-6 — 10-4 ом·см. Существует и промежуточный класс — Полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между: проводником и диэлектриком и отличается от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких эВ (электрон-вольт), то есть соизмерима с kT. Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений(арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства изоляторов.

Ды́рка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках и металлах. Определение по ГОСТ 22622-77: Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона. Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в не полностью заполненной электронами валентной зоне. В электронном спектре валентной зоны часто возникает несколько зон, различающихся величиной эффективной массы и энергетическим положением (зоны легких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщепленных дырок).

Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом.

В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном.

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Энергия Ферми системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы. Это эквивалентно химическому потенциалу системы в ее основном состоянии при абсолютном нуле температур. Это может также интерпретироваться как максимальная энергия фермиона в основном состоянии при абсолютном нуле температур. Энергия Ферми — одно из центральных понятий физики твёрдого тела.

Физический смысл уровня Ферми: вероятность попадания частицы на уровень Ферми составляет 0.5 при любых температурах.

Название дано в честь итальянского физика Энрико Ферми.

Фермионы — частицы с полуцелым спином, обычно 1/2, такие как электроны — подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Следовательно, фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака. Основное состояние невзаимодействующих фермионов строится начиная с пустой системы и постепенного добавления частиц по одной, последовательно заполняя состояния в порядке возрастания энергии. Когда необходимое число частиц достигнуто, энергия Ферми равна энергии самого высокого заполненного состояния (или самого низкого незанятого состояния; различие не важно, когда система является макроскопической). Поэтому энергию Ферми называют также уровнем Ферми. Частицы с энергией равной энергии Ферми двигаются со скоростью называемой скоростью Ферми.

В свободном электронном газе (квантовомеханическая версия идеального газа фермионов) квантовые состояния могут быть помечены согласно их импульсу. Кое-что подобное можно сделать для периодических систем типа электронов, движущихся в атомной решётке металла, используя так называемый квазиимпульс (Частица в периодическом потенциале). В любом случае, состояния с энергией Ферми расположены на поверхности в пространстве импульсов, известной как поверхность Ферми. Для свободного электронного газа, поверхность Ферми — поверхность сферы; для периодических систем, она вообще имеет искаженную форму. Объем заключённый под поверхностью Ферми определяет число электронов в системе, и её топология непосредственно связана с транспортными свойствами металлов, например, электрической проводимостью. Поверхности Ферми большинства металлов хорошо изучены экспериментально и теоретически.

p-n - ПЕРЕХОД (электронно-дырочный переход) - слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n-область) и дырочной (р-область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорной и акцепторной примесями одного и того же полупроводника (напр., Si), и гетеропереход ,в к-ром р-область и n-область принадлежат разл. полупроводникам. Термин "р - п.-П." как правило, применяют к гомопереходам.

Обеднённый слой. Из-за большого градиента концентрации электронов (п)и (обратного ему по знаку) градиента концентрации дырок (р)в р - n-П. происходит диффузионное перетекание электронов из п-об-ласти в р-область и дырок в обратном направлении. Его следствием является накопление избыточного положит. заряда в n-области и отрицательного - в р-области (рис. 1). При этом появляется электрич. поле, направленное из n-области в р-область, действие к-рого на электроны и дырки (при термодинамич. равновесии) компенсирует действие градиентов концентрации, т. е. диффузионные потоки электронов и дырок уравновешиваются дрейфовыми потоками во внутреннем электрич. поле Евн перехода. Поле Евнобусловливает диффузионную разность потенциалов VД (аналог контактной разности потенциалов), величина к-рой (для невырожденных носителей) в р- и n-областях выражается ф-лой

Ток через р - п-П.С включением внеш. напряжения U дрейфовые потоки перестают компенсировать диффузионные потоки и через р - п-П. течёт электрич. ток. Т. к. в глубине р-области ток переносится дырками, а в n-области - электронами, то прохождение тока через р - n-П. - в прямом направлении (U > 0) сопряжено с рекомбинацией электронов и дырок, прибывающих к р - п-П. из областей, где они являются основными носителями заряда. При U < О ток обусловлен генерацией электронно-дырочных пар в окрестности р - п-П., к-рый разделяет их движение от р - п-П. в области, где они являются основными носителями.

При термодинамич. равновесии термич. генерация носителей в каждой точке образца в точности компенсируется их рекомбинацией. Но при прохождении тока этот баланс нарушается. Существует неск. механизмов (каналов) избыточной генерации и рекомбинации, определяющих проводимость р - п-П. при прямом и обратном смещениях. а) Генерация и рекомбинация носителей в р- и n-областях и диффузия носителей к р - n-П. или от него. В единице объёма n-полупроводника в единицу времени рождается вследствие равновесной термич. генерации дырок, где рп - равновесная концентрация дырок в п-областп a их время жизни относительно процесса рекомбинации. Все дырки, рождённые в слое с толщиной Lр, прилегающем к р - п-П., уходят в р-область, т. к. внутр. поле р - п-П. "втягивает" туда все дырки, подошедшие к переходу в результате диффузии из п-области; Lp - длина диффузии дырок в n-области за время их жизни: Dp - коэф. диффузии дырок. Дырки, рождённые вне слоя Lp, рекомбинируют прежде, чем процесс диффузии доставит их к р - n-П., и не дают вклада в ток. Поэтому плотность тока дырок, уходящих из п-области в р-область:

Способы получения р - n-П. Сплавные переходы получают, нанося на полупроводниковую кристаллич. подложку "навеску" легкоплавкого металлич. сплава, в состав к-рого входит необходимое легирующее вещество. При нагреве образуется область жидкого расплава, состав к-рого определяется совместным плавлением навески и подложки. При остывании формируется рекристаллизац. область полупроводника, обогащённая легирующими атомами. Если тип легирования этой области отличен от типа легирования подложки, то образуется резкий р - n-П., причём его металлургич. граница х0совпадает с границей рекристаллизац. области. В сплавных переходах на этой поверхности разность изменяется скачком (резкий р - n-переход).

При вытягивании из расплава формирование перехода происходит в процессе роста полупроводникового слитка путём дозированного изменения состава легирующих примесей в расплаве. Диффузионные переходы получают диффузией легирующих примесей из источников в газообразной, жидкой и твёрдой фазах. Имплантированные переходы образуются при ионной имплантации легирующих примесей.

Эпитаксиальные переходы получают методом эпитак-сиального выращивания или наращивания, в т. ч. методом молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющим пространственно наиболее тонко (с разрешающей способностью до 1 нм) регулировать закон изменения NД(x) - Na(x). Часто применяются комбиниров. способы: после вплавления, имплантации или эпитаксиального выращивания производится диффузионная доводка структуры.

При получении р - n-П. регулируется не только легирование р- и n-областей, но и структура всего переходного слоя; в частности, получается необходимый градиент а = d(NД - Na)/dx в точке металлургич. перехода х = х0. В большинстве случаев применяются асимметричные р+ - п- или п+ - р -П., в к-рых легирование одной из областей (+) намного сильнее другой.