Warto przeczytać

Różnice między metalami a półprzewodnikami wynikają z liczby elektronów na ostatniej powłoce elektronowej, tzw. elektronów walencyjnych w atomach tych materiałów. Liczba ta decyduje o wiązaniach chemicznych, jakie chcą tworzyć dane atomy, a zatem i tworzonej przez nie strukturze krystalicznej.

Atomy metali mają od jednego do trzech elektronów na ostatniej powłoce. Dlatego tworząc wiązania chętnie się ich pozbywają, uzyskując osiem na niższej powłoce. Te uwolnione elektrony w metalicznym ciele stałym stają się elektronami swobodnymi w obrębie metalu, a sieć krystaliczną tworzą dodatnie jony, utrzymywane głównie dzięki oddziaływaniu chmury tych swobodnych elektronów (Rys. 1.). Dlatego zazwyczaj w metalach oddziaływanie sąsiednich atomów nie jest ukierunkowane i nie jest zbyt silne. Powoduje to, że typowe metale dobrze przewodzą prąd elektryczny i ciepło. Poddają się także obróbce plastycznej, a także dobrze odbijają promieniowanie elektromagnetyczne, co nadaje metalom charakterystyczny połysk. Poza wiązaniem chmurą swobodnych elektronów, między sąsiednimi atomami może tworzyć się wiązanie kowalencyjneWiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne, które nadaje metalom wytrzymałość mechaniczną.

RjvyU3AcJIhOp

Rys. 1. Rysunek przedstawia dwuwymiarowy model sieci krystalicznej metalu. Na rysunku przedstawione są jony metalu w postaci dużych kółek z napisem +2, przez co zaznaczony jest ładunek dwukrotnie zjonizowanego atomu. Jonów jest 9 i ułożone są w trzech rzędach jeden nad drugim. Są uporządkowane. Pomiędzy nimi narysowane są znacznie mniejsze kółeczka przedstawiające elektrony. Ich rozmieszczenie jest zupełnie przypadkowe w przestrzeni pomiędzy jonami.

Dla nieorganicznych materiałów półprzewodnikowych charakterystyczne jest tzw. wiązanie kowalencyjneWiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne, w którym atomy uzyskują pożądaną ilość ośmiu elektronów na ostatniej powłoce poprzez uwspólnienie elektronów między wiążącymi się atomami (tworzą się pary elektronów wiążących, z których każdy pochodzi z innego z łączących się atomów).

Leżące w czternastej grupie układu okresowego pierwiastki półprzewodnikowe: krzem i german mają cztery elektrony walencyjne i uzyskują pożądane osiem na ostatniej powłoce tworząc wiązanie kowalencyjneWiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne z czterema sąsiadami. (Rys. 2.).

R1ce6h1NPqaCz

Rys. 2. Rysunek przedstawia dwuwymiarowy model sieci krystalicznej krzemu. Jony krzemu przedstawione są jako duże kropki z napisem Si. Każdy jon ma obok siebie cztery inne jony- sąsiedzkie. Ostatnia powłoka każdego jonu, to okrąg a na nim cztery elektrony w postaci małych kółek. Elektrony w każdym atomie rozmieszczone są w tych samych miejscach: na górze, na dole, z prawej i lewej strony. Jony krzemu narysowane są blisko siebie tak, że orbity stykają się ze sobą i lekko na siebie zachodzą. W ten sposób każdy atom ma na ostatniej powłoce cztery swoje elektrony i cztery sąsiedzkie- razem osiem. Każdy atom związany jest z czterema sąsiadami silnym wiązaniem kowalencyjnym.

Podobny układ atomów tworzą związki półprzewodnikowe między atomami 13 i 15 grupy a także w związkach atomów z 12 i 16 grupy. Więcej na temat budowy wewnętrznej metali i półprzewodników możesz się dowiedzieć z e‑materiałów „Jak zbudowane są metale” i „Jaka jest struktura półprzewodników”.

Różnica w tworzonych wiązaniach chemicznych powoduje szereg różnic w wartościach wielkości fizycznych charakteryzujących metale i materiały stosowane jako półprzewodniki. Ważnymi wielkościami opisującymi właściwości elektryczne są: koncentracja nośników prądu, ruchliwość nośników, energetyczna przerwa wzbroniona i opór elektryczny właściwy.

Ruchliwość nośników oznacza się literą $\mu$. Jest to wielkość opisująca wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na średnią prędkość dryfu nośników i wyrażana wzorem $\mu =\frac{u}{E},$ gdzie $\mu$ – ruchliwość, $u$ – średnia prędkość dryfu nośników, $E$ – natężenie zewnętrznego pola elektrycznego.

Koncentrację nośników oznacza się literą $n$. Jest to ilość nośników w jednostce objętości materiału.

Energetyczną przerwę wzbronioną oznaczamy symbolem $\Delta E_g$. Jest to odległość energetyczna między pasmem walencyjnymPasmo walencyjnepasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwaPasmo przewodnictwapasmem przewodnictwa. Określa ona minimalną energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi.

Opór elektryczny właściwy oznaczamy literą $\rho$. Jest miarą zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu, możemy opisać go wzorem $\rho =\frac{RS}{l}$, gdzie $\rho$ –opór elektryczny właściwy, $R$ – opór elektryczny przewodnika, $S$ – pole przekroju poprzecznego przewodnika, $l$ – długość przewodnika. Opór elektryczny właściwy związany jest z ruchliwością i koncentracją nośników zależnością: $\rho =\frac{1}{ne\mu }$.

Podstawowe różnice między metalami a półprzewodnikami przedstawia tabela:

	Metale	Półprzewodniki
Wiązania chemiczne	Wiązanie metaliczne - za utrzymanie atomów odpowiada chmura swobodnych elektronów, słabo wiążące sąsiednie atomy	Kowalencyjne ukierunkowane – silnie wiążące sąsiednie atomy
Typowa struktura krystaliczna	RyVgyulKfYgH9 Rysunek poglądowy przedstawia schematycznie komórkę elementarną sieci heksagonalnej. Stanowi ją prostopadłościan o podstawie sześciokąta foremnego. W wierzchołkach sześciokąta umieszczone są atomy metalu heksagonalna RdvX82ttvbEF5 Rysunek poglądowy przedstawia komórkę regularną ściennie centrowaną. Komórka elementarna sieci regularnej to sześcian, w którego wierzchołkach znajdują się atomy. Jeśli jest regularna ściennie centrowana to dodatkowo w środku każdej z sześciu ścian jest atom. regularna ściennie centrowana R26wfBOTY3lCx Rysunek poglądowy w tej samej kolumnie przedstawia komórkę regularną przestrzennie centrowaną. Jest to sześcian, w którego wierzchołkach są atomy i dodatkowo w środku sześcianu jest jeszcze jeden atom. W tabeli narysowane są dwa sześciany, w wierzchołkach każdego są atomy w postaci kropek, przy czym w jednym z nich narysowane są również kropki w ścianach, a w drugim jest dodatkowo jedna kropka w samym środku. regularna przestrzennie centrowana	RkQAoF3FBoWbx Dla zademonstrowania wiązania kowalencyjnego, które jest charakterystyczne dla półprzewodników narysowano strukturę komórki elementarnej diamentu. Jest to rysunek czwarty w kolumnie, gdzie są półprzewodniki. Składa się ona z czterech czworościanów wpisanych w sześciany. W wierzchołkach sześcianu i jego bokach znajdują się atomy, ale również w jego wnętrzu są atomy. Najważniejsze jest to, że wokół każdego atomu są cztery inne atomy związane poprzez elektrony wiązaniem kowalencyjnym. Krawędź sześcianu jest równa małe a, co oznacza stałą sieci. Odległość pomiędzy atomami a znajdującymi się w wierzchołkach sześcianu jest równa stałej sieci. Odległości pomiędzy atomami wewnątrz sześcianu są równe jednej czwartej stałej sieci. struktura diamentu
Nośniki prądu	elektrony	elektrony i dziury
Koncentracja nośników	~10Indeks górny 2828 mIndeks górny -3-3 słabo zależy od temperatury	10Indeks górny 1212 do 10Indeks górny 1616 mIndeks górny -3-3 w półprzewodnikach samoistnych silnie zależy od temperatury
Ruchliwość nośników	~10Indeks górny -3-3 mIndeks górny 22/V · s	0,05 – 8 mIndeks górny 22/V · s
Typowa energetyczna przerwa wzbroniona	Nie występuje	0,1- 3 eV
Opór elektryczny właściwy	10Indeks górny -6-6 - 10Indeks górny -8-8$\Omega$m	1 - 10Indeks górny 44$\Omega$m
Wpływ temperatury na opór elektryczny	Ze wzrostem temperatury opór rośnie	Ze wzrostem temperatury opór maleje
Wpływ domieszek	Dodatkowe atomy zaburzają strukturę krystaliczną, co powoduje zmniejszenie ruchliwości elektronów swobodnych i zwiększenie oporu elektrycznego	Domieszki wprowadzają dodatkowe nośniki prądu powodując zmniejszenie oporu elektrycznego
Zastosowania	Materiały konstrukcyjne, przewodzenie, obwody elektryczne, elementy przewodzące prąd elektryczny	Przetwarzanie sygnałów elektrycznych
Właściwości mechaniczne	Kowalne i ciągliwe, podlegają obróbce plastycznej	Twarde i kruche

Słowniczek