Kritéria polovodivých látek

Hlavním předpokladem pro vytvoření polovodivých vlastností je alespoň částečná kovalentní vazba, která je vázána na existenci elektronových orbitalů s a p alespoň u jednoho ze dvou atomů, které jsou v elementární buňce spojeny touto vazbou.

Obr. 1. Schematické zobrazení orbitalů s, p_x, p_y a p_z.

Byla vždy snaha najít pravidlo, podle něhož by se dalo z chemického vzorce sloučeniny usoudit, zda jde o polovodič. Starší Zintlovo pravidlo, podle něhož by látka měla být polovodivá, je-li počet všech valenčních elektronů sloučeniny dělitelný osmi, se nahradilo podstatně přesnějším kritériem Moosera a Pearsona

    (1)

kde N_e je celkový počet všech valenčních elektronů v molekule,
N_a je počet atomů s valencí rovnou 4 nebo větší,
s je počet kovalentních vazeb tvořených atomem s valencí 4 nebo větší s ostatními podobnými atomy.

Tak např. podle Zintlova pravidla není CdSb polovodičem, protože celkový počet valenčních elektronů v molekule je pouze 7. Vzhledem k tomu, že existuje ještě jedna mimořádná vazba s = 1, má CdSb polovodivé vlastnosti, jak vyplývá z kritéria (1).

Mooserovo-Pearsonovo pravidlo souhlasí velmi dobře se skutečností, je však třeba si přiznat, že jeho aplikace předpokládá znalost zbylých kovalentních vazeb mezi atomy s valencí 4 a větší, která není z úhrnného chemického vzorce zřejmá. Víme-li však o sloučenině, které vazby se celkem uplatňují, pak můžeme i bez pravidla (1) říci, zda je nebo není polovodičem.

Obr. 2 Základní krychlička čtyřstěnu pro kovalentní vazbu středového atomu se čtyřmi sousedními atomy

Obr. 3 Závislost měrné vodivosti nevlastního polovodiče na teplotě

Kovalentní vazba se nejčastěji objevuje u elementárních polovodičů, zejména u prvků 14. skupiny. Jde o uhlík, germánium a cín, které mají čtyři valenční elektrony. Prostorové uspořádání krystalové mřížky je tedy určeno tím, že každý atom má čtyři ekvivalentní sousední atomy, s nimiž si valenční elektrony mohou vyměňovat místa, a tak uskutečnit pevnou kovalentní vazbu. Propojíme-li polohy atomů mezi sebou, vznikne čtyřstěn, který se skládá ze čtyř kongruentních rovnostranných trojúhelníků. Na obr. 2 je zakreslen tento čtyřstěn do základní krychličky a čtyři sousední atomy zaujímají střídavě její rohy.

Za polovodiče lze považovat takové látky, které mají při pokojové teplotě (300 K) hodnoty měrného odporu řádově od 10^-4 do 10⁹ Ω.m. Současně je třeba předpokládat elektronovou nebo děrovou vodivost s teplotní závislostí podle obr. 3. Při vysokých teplotách může polovodič vykazovat zanedbatelnou iontovou vodivost.