|
Уже свыше 150 лет назад людям было известно, что вещества по-разному проводят электрический
ток. В учебнике "Начальные основания опытной физики", изданном в 1826 году, его автор Иван
Двигубский отмечает:
"Английский физик Кавендиш опытами доказал, что вода проводит электричество в 400 млн. раз
хуже металла; невзирая на сие, она еще не совсем худой проводник электричества. Тела, кои в
рассуждение способности проводить электричество, занимают как бы среднее место между проводниками
и непроводниками, называются полупроводниками".
Тогда же обратили внимание на то, что вещества отличаются не только величиной проводимости,
но ее изменением с температурой. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что
электропроводность металлов уменьшается с ростом температуры. Продолживший исследования Дэви его
ученик Майкл Фарадей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электропроводность не падает
а возрастает с ростом температуры. В своей знаменитой работе "Экспериментальные исследования по
электричеству" Фарадей так написал по этому поводу: "Я не знаю ни одного вещества, которое,
подобно сернистому серебру, может в горячем состоянии сравниться с металлами в отношении
проводимости электричества, и у которого, наряду с этим, в отличие от металлов, она, наоборот,
увеличивается. Однако, если поискать, то, вероятно, можно будет найти немало таких веществ".
В течение последующих пяти лет Фарадей обнаружил, еще несколько "таких веществ": фторид
свинца (PbF2), сульфид ртути (HgS) и ряд других, также обладавших необычной зависимостью
проводимости от температуры. В то время, однако, это не вызвало сколь-нибудь заметного интереса в
научном мире. Так продолжалось до тех пор, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление
селена изменяется при освещении. Селеновые фотосопротивления почти немедленно стали
использоваться в различных оптических приборах. Возникла потребность объяснить причину этого
явления, начать поиск новых светочувствительных материалов. На рубеже ХХ столетия физики начали
специально изучать материалы, которые нельзя было отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам.
Обратили внимание и на другие особенности в электрических свойствах веществ, которые из-за своей
проводимости были названы полупроводниками: на спае теллура или сульфида свинца с металлом при
нагревании возникала необычно высокая эдс, контакт сульфида свинца с металлом хорошо проводил ток
в одном направлении и плохо - в другом. Формирование представлений о физических процессах,
происходящих в полупроводниках затруднялось многообразием обнаруженных явлений. Тем не менее, уже
в начале ХХ века природа электропроводности полупроводников получила правильное объяснение. Этому
успеху в значительной степени способствовали работы немецкого электрохимика И.Кенигсбергера.
Кенигсбергер рассуждал следующим образом. Известно, что проводимость определяется величиной
тока, который протекает через сечение площадью 1 м2. под действием электрического поля напряженностью
1 В/м. Поскольку электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, то он будет
зависеть от концентрации этих частиц, скорости их упорядоченного движения и величиной
переносимого каждой частицей заряда:
Q = N.v.q . (1)
Таким образом, изменение проводимости определяется зависимостью от температуры перечисленных
выше факторов. Попробуем проанализировать их.
Заряд частицы q является постоянным, не зависящим от температуры. Поэтому данную величину
можно исключить из списка факторов, обуславливающих зависимость проводимости от температуры.
Скорость движения частиц с температурой возрастает. Но тепловое движение частиц является
не упорядоченным, а хаотичным. Возрастание скорости хаотичного движения увеличивает число
столкновений этих частиц с атомами и друг с другом, и в результате скорость упорядоченного
переноса заряда (а именно это является обязательным признаком электрического тока) v уменьшается.
В результате проводимость должна уменьшаться с ростом температуры. Это мы и наблюдаем в металлах.
Остается предположить, что с возрастанием температуры увеличивается концентрация частиц -
носителей заряда. Причем это увеличение настолько велико, что с лихвой перекрывает уменьшение
скорости упорядоченного переноса заряда.
Именно это и предположил Кенигсбергер. В своей работе, опубликованной в 1906 году, он писал:
"При повышении температуры в оксидах и сульфидах число проводящих или свободных квантов электричества
- электронов - увеличивается, пока не станет предельным, после чего их поведение уподобляется металлам,
в которых при нормальной температуре почти все электроны свободны".
Помимо характерной температурной зависимости проводимости, класс полупроводников с точки
зрения Кенигсбергера характеризуется и еще несколькими основными свойствами: величиной удельного
сопротивления в пределах от 10-8 до 101 Ом.м; большими значениями термо-эдс в паре с металлом;
невыполнением закона Ома на контакте полупроводник-металл; чувствительностью к свету.
|
