При образовании твердого тела, например кристалла полупровод­ника, атомы настолько сближаются друг с другом, что их внешние электронные оболочки перекрываются. Вместо индивидуальных ор­бит отдельных атомов появляются коллективные орбиты, и подобо­лочки атомов объединяются в зоны, единые для всего кристалла*. Характер движения электронов при этом изменяется кардиналь­ным образом: электроны, находящиеся на определенном энергетиче­ском уровне одного атома, получают возможность без затраты энер­гии переходить на подобный же уровень соседнего атома и тем самым свободно перемещаться вдоль всего кристалла.

Внутренние оболочки в изолированных атомах, а следовательно, и в кристаллах целиком заполнены. Самая же верхняя зона, обра­зованная из уровней, на которых располагались валентные элек­троны, не всегда заполнена до конца. Электропроводность кристал­лов, их оптические и многие другие свойства в основном определя­ются степенью заполнения валентной зоны и расстоянием от нее до самой верхней зоны, получившей название зоны проводимости. Электроны, попавшие из валентной зоны, например за счет тепло­вого или оптического возбуждения, в зону проводимости, могут при­нимать участие в переносе электрического тока. Перемещение элек­тронов на освободившиеся места в валентной зоне создает встреч­ное движение положительных зарядов, называемых дырками. Поло­жительный заряд всегда образуется в валентной зоне после ухода электрона, ведь до этого зона была электронейтральной.

Вещества, у которых валентная зона заполнена целиком, а рас­стояние до следующей зоны велико, называются диэлектриками. Для металлов характерно другое энергетическое строение: валент­ная зона заполнена частично либо перекрывается со следующей свободной зоной, зоной проводимости. Если же у вещества валент­ная зона заполнена целиком, но энергетическое расстояние до зоны проводимости мало (условно — менее 2 эВ), то такие вещества на­зывают полупроводниками. Электропроводность и другие свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий, особенно от температуры Т. С повышением Т экспоненциально растет число теп­ловых перебросов электронов через запрещенную зону с энергети­ческой шириной Eg, разделяющую валентную зону и зону проводи­мости, увеличивается число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, а электропроводность полупроводника а возраста­ет по закону

о^А0ехр (—EJ2KT), . (1.1)

где К — постоянная Больцмана; А0 — константа, характеризующая данное вещество.

Электропроводность металлов в силу постоянства концентрации свободных электронов определяется температурной зависимостью подвижности электронов и с ростом температуры медленно падает.

Если зависимость (1.1) прологарифмировать, то она примет сле­дующий вид:

In о = InAo—Eg/lKT. (1.2)

Зависимость (1.2) можно изобразить графически в так называе­мых полулогарифмических координатах и получить прямую, тангенс утла наклона которой <р позволяет рассчитать важнейший параметр полупроводника, определяющий его электрические и оптические свойства — ширину запрещенной зоны Eg:

tg у=Е/2К.

Следует отметить, что зависимость логарифма электропроводное сти от 1/Т представляет собой наклонную прямую линию лишь длЯ’

*

чистых, лишенных посторонних примесей полупроводников, полу­чивших название собственных. Легирующие примеси, вводимые в полупроводники, как правило, для придания им электронного или дырочного характера электропроводности, занимают энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (доно­ры), легко отдающие электроны в зону проводимости при неболь­шом тепловом или оптическом возбуждении, или около потолка ва­лентной зоны (акцепторы), на которые легко забрасываются элек­троны из заполненной нижней зоны, вследствие чего в кристалле пдявляется исключительно дырочная проводимость, не сопровож­даемая движением электронов в верхней зоне.

Для примесных полупроводников зависимость In о от 1 /Т носит более сложный характер и состоит из отрезков двух наклонных прямых, соединенных горизонтальным участком. Тангенс угла на­клона отрезка прямой, лежащей в области низких температур, дает возможность определить энергию активации или энергетическое по­ложение примесных уровней в запрещенной зоне; тангенс утла на­клона отрезка прямой, расположенной в области высоких темпе­ратур, позволяет найти значение ширины запрещенной зоны Ег примесного полупроводника. Появление горизонтального участка объясняется постоянством концентрации электронов в зоне прово­димости (донорные уровни себя исчерпали) в определенном интер­вале средних температур.

Характер температурной зависимости полупроводников не может быть положен сейчас в основу четкого определения полупроводни­ков и их отличия от других веществ [11]. Теоретически и экспе­риментально изучены многочисленные случаи отклонения от ука­занных выше зависимостей. Так, в сильнолегированных полупровод­никах электропроводность с повышением температуры не растет, а слабо уменьшается, почти как у металлов. Обнаружены полупро­водниковые сверхпроводники, у которых электропроводность резко возрастает при приближении температуры к абсолютному нулю. Найден обширный класс полупроводников, в которых перенос за­ряда осуществляется ионами, а не электронами и электропровод­ность которых подчиняется совершенно иным закономерностям (та­ковы, например, стеклообразные полупроводники). В связи с этим в настоящее время правильнее определять полупроводники как класс веществ, свойства которых могут изменяться в очень широких пре­делах под действием различных внешних воздействий (температу­ры, освещения, давления, электрических и магнитных полей и др.)> Именно эта особенность полупроводников обусловила получение на их основе исключительно чувствительных фото — и термосопротивле­ний, электронных приборов, например диодов, транзисторов, тири­сторов, детекторов электрического и магнитного полей или радиа­ционных частиц, тензодатчиков и др., которые было бы невозможно создать из металлических или диэлектрических веществ.