Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
отнесены к числу полупроводников. Хотя возможности такого рода не
исключаются, положение о том, что в чистых полупроводниках должен
наблюдаться отрицательный температурный коэффициент сопротивления, все же
остается справедливым. Наряду с этим имеется еще целый ряд других
отличительных признаков полупроводников, которые были использованы для
идентификации последних; их мы рассмотрим ниже. Необходимо, однако,
признать, что строгий критерий для распознавания полупроводников удалось
установить лишь после того, как квантовая теория твердого тела дала
объяснение физическим причинам различных свойств, наблюдаемых на опыте.
За исключением области температур вблизи точки плавления, сопротивление
полупроводников значительно больше сопротивления хороших металлических
проводников тока и одновременно значительно меньше сопротивления хороших
диэлектриков. Пределы изменения сопротивления в твердых телах поистине
огромны. Хороший металлический проводник обладает при комнатной
температуре удельным сопротивлением порядка 10~в Ом-см, тогда как
сопротивление полупроводников при комнатной температуре находится, как
правило, в пределах от 10"3 до 10е Ом-см. Кроме того, имеется большое
количество веществ, обладающих примерно такими же значениями
сопротивления, но не являющихся полупроводниками в современном понимании
этого слова. С другой стороны, хорошие диэлектрики обладают
сопротивлением порядка 101? Ом • см.
Успехи, достигнутые за последующие сорок лет после появления работы
Фарадея, были незначительными. Удалось лишь выяснить, что некоторые
вещества, принадлежащие к классу "плохих" проводников, например теллур,
обладают исключительно большими значениями термо-э. д. с. Два важных
открытия были сделаны лишь в 1873 и 1874 гг. Браун [2], исследуя такие
вещества, как сернистый свинец и пирит, обнаружил явление выпрямления
переменного тока; Смит [3] наблюдал фотопроводимость в селене. Вскоре и в
других веществах были обнаружены некоторые из этих свойств, но не
обязательно все сразу. В большинстве случаев этими веществами были
сульфиды и окислы металлов, а также кремний.
Последовавшие за этим работы позволили выделить целый класс веществ,
обладающих указанными свойствами,- класс полупроводников (по-немецки -
Halbleiter). Обзор этих ранних работ, включающий также весьма обширную
библиографию из 350 найме-
1. Простейшие свойства полупроводников
17
нований, был составлен Ларк-Горовицем [4]. Этот период широко освещен
также в появившихся еще раньше обзорах Гуддена [51, где подробно
обсуждены проблемы идентификации полупроводников. Прекрасный обзор ранних
работ русских авторов был сделан Иоффе [61.
К тому времени удалось установить следующие основные свойства
полупроводниковых веществ:
а) отрицательный температурный коэффициент сопротивления;
б) значения удельного сопротивления, лежащие в пределах от 10е до 10"(r)
Ом-см;
в) как правило, большие значения термо-э. д. с. (как положительные, так и
отрицательные) относительно данного металла;
г) эффект выпрямления переменного тока или, по крайней мере, неомическое
поведение в контактах;
д) чувствительность к свету (появление фото-э. д. с. или изменения
сопротивления при освещении).
Незадолго до этого была выяснена важная роль, которую играют примеси в
полупроводниках. Было отмечено, что некоторые характеристики различных
образцов одного и того же вещества, в частности отрицательный
температурный коэффициент сопротивления при высоких температурах,
практически неизменны, тогда как другие характеристики сильно меняются от
образца к образцу. Первые были названы "собственными" или "истинными"
характеристиками. Этот факт весьма затруднял изучение "собственных"
свойств полупроводников, так как никогда нельзя было быть полностью
уверенным в том, что тот или иной наблюдаемый эффект не обусловлен
наличием примесей в образце. С сомнениями такого рода ныне покончено, так
как появилась возможность точно контролировать содержание примесей во
многих полупроводниках.
Весьма важным событием, как оказалось впоследствии, явилось открытие в
1879 г. эффекта Холла [7], т. е. возникновение поперечной э. д. с. при
прохождении электрического тока через проводник, помещенный в магнитное
поле. Хотя к тому времени электрон еще не был открыт и поэтому не могла
возникнуть мысль о числе носителей заряда, этот эффект оказался
впоследствии тем ключом, который позволил раскрыть сущность процесса
проводимости в полупроводниках и провести грань между полупроводниками и
другими типами плохо проводящих веществ. Это обусловлено тем, что, как мы
увидим позже, измерение э. д. с. Холла дает возможность непосредственно
определить концентрацию и знак носителей заряда. Эти измерения позволяют
также легко отделить случай ионной проводимости от случая электронной
проводимости - весьма важное разграничение, так как электропроводность в
случае ионной проводимости также быстро растет с ростом температуры, что
