Nd-W см-3 электроны в л — области GaAs уже становятся вырожденными. Кроме того, поскольку излучение из области базы обычно выводится через л — об-ласть, увеличение ширины запрещенной зоны здесь будет приводить к уменьшению потерь на поглощение. [31]
При приложении к полупроводнику сильного электрического поля в нем за счет ударной ионизации образуются неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что может привести к возникновению инверсной населенности по отношению к уровням у дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Величина электрического поля, необходимого для образования достаточной концентрации неравновесных носителей, быстро растет с увеличением ширины запрещенной зоны . [33]
Из сравнения данных, приведенных в этой таблице, следует, что селе-нид висмута отличается большей величиной ионной компоненты связи. Это приводит к некоторому усилению прочности химической связи, качественно выражающемуся в повышении температуры плавления, теплоты образования и увеличении ширины запрещенной зоны . [35]
Лекция 4-6 МЭТ Определение ширины запрещенной зоны полупроводников
Ширина запрещенной зоны изменяется с изменением температуры. С повышением температуры в первом случае ширина запрещенной зоны уменьшается, во втором случае может быть как уменьшение, так и увеличение ширины запрещенной зоны . У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны с повышением температуры уменьшается. [37]
Аналогично изменяются свойства изоэлектронных и изоструктурных соединений типа A BVI и A BVI в подгруппах с возрастанием атомного номера элементов. При переходе в ряду соединений AH1BV — AHBVI — A BV по мере усиления различий элементов в химической природе увеличивается доля ионной связи, что приводит к увеличению ширины запрещенной зоны АЕ . [38]
В соединениях III-V ширина запрещенной зоны больше, чем в соответствующих полупроводниках IV группы; Велькер и Вейсс [31] выдвинули предположение, что это объясняется наличием ионной связи между III — и V-атомами. Тенденция к образованию ионов приводит к удалению электронов из пространства между атомами, так что периодический потенциал начинает изменяться сильнее, а такое увеличение амплитуды периодического потенциала вызывает увеличение ширины запрещенной зоны . [39]
Итак, в полупроводниковых соединениях увеличение ширины запрещенной зоны обусловлено ростом ионной доли химической связи. Вместе с увеличением ионности растет роль оптической ветви колебания решетки, рассеивающей носители тока значительно сильнее, чем акустические колебания или фононы. Поэтому с увеличением ширины запрещенной зоны в пределах одного и того же класса веществ наблюдается закономерное уменьшение подвижности носителей тока. [40]
Согласно теории напряжение У0 зависит, главным образом, от ширины запрещенной зоны полупроводника и возрастает при ее увеличении. Значение Rs складывается из объемного сопротивления полупроводникового материала и контактного сопротивления. Токи утечки уменьшаются с увеличением ширины запрещенной зоны , а пробивное напряжение Уь возрастает с увеличением удельного сопротивления полупроводника. Наконец, способность диода работать при высоких температурах также связана со значительной шириной запрещенной зоны. Поэтому при выборе материала для изготовления диодов приходится допускать компромисс в отношении запрещенной зоны и удельного сопротивления. [41]
Ширина запрещенной зоны
Все соединения AnIBv обладают сходной структурой валентной зоны; ее максимум ( Г15) находится в центре зоны Брил-люэна. У всех пяти соединений с наименьшей шириной запрещенной зоны минимум зоны проводимости ( Fi) также расположен в центре зоны, и потому у них имеется хорошо определенный минимальный энергетический зазор, соответствующий вертикальным переходам. Перечислим эти соединения в порядке увеличения ширины запрещенной зоны : InSb, InAs, GaSb, InP и GaAs ( см. зонную структуру на фиг. [42]
В полях высокой напряженности, возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости также путем туннельного просачивания их через запрещенную зону. Этот эффект называется эффектом Зинера или электростатической ионизацией. Вероятность просачивания электронов, а следовательно, и плотность туннельного тока резко увеличиваются с ростом напряженности поля и уменьшаются с увеличением ширины запрещенной зоны . Более подробно этот эффект будет рассмотрен на примере туннельного пробоя р — — перехода. [43]
Вследствие большого сходства между различными экспериментальными данными, полученными для сплавов на основе меди и серебра, можно полагать, что и теоретическое описание обоих типов сплавов должно быть в общем аналогичным. В случае же образования твердых растворов на основе золота, как уже отмечалось выше, связь между экспериментальными данными и электронной концентрацией значительно менее удовлетворительна, чем в случае меди и серебра, и в то же время средние значения предельной растворимости в твердом состоянии для золота существенно отличаются от соответствующих значений для меди и серебра ( см. фиг. Коэн и Хейне [18] пытались объяснить особенности образования ограниченных твердых растворов на основе золота, предположив, что в этом случае при легировании скорее всего происходит увеличение ширины запрещенной зоны , а не ее уменьшение. Однако более поздние расчеты Сегала [104, 105] показали, что допущение Коэна и Хейне не следует принимать во внимание. [44]
Обе формулы не слишком точны, однако обе дают правильную ширину запрещенной зоны, которая равна разности расщепления на связывающие и антисвязывающие состояния, определяемого энергией ковалентной связи, и ширины разрешенной зоны, определяемой энергией металлической связи. Зависимость наблюдаемых значений ширины запрещенной зоны Я0 от теоретических значений, рассчитанных по формуле (6.19), приведена на рис.
6.8. Согласие с экспериментом соответствовало бы наклону прямой линии, равному единице, а не 1 / 3, как показано на рис. 6.8. Таким образом, качественно теория предсказывает правильные результаты, однако количественное согласие нельзя считать хорошим. Это частично связано с тем, что рассматриваемые величины являются малыми разностями относительно больших величин. Основной эффект сводится к увеличению ширины запрещенной зоны при уменьшении степени металличности и увеличении степени ионности. [45]
Источник: www.ngpedia.ru
Химическая связь в атомных кристаллах. Представление о зонной теории. Валентная зона, зона проводимости, запрещенная зона. Металлы, полупроводники, диэлектрики.
Кристаллы алмаза, кремния, кварца и подобные им по структуре называют атомными кристаллами.
Атомный кристалл – кристалл, состоящий из атомов одного или нескольких элементов, связанных химическими связями.
Химическая связь в атомном кристалле может быть ковалентной или металлической.
Как вы уже знаете, любой атомный кристалл, как и ионный, представляет собой огромную «супермолекулу». Структурную формулу такой «супермолекулы» записать нельзя – можно только показать ее фрагмент, например:
В отличие от молекулярных веществ, вещества, образующие атомные кристаллы, – одни из самых тугоплавких.
Представление о зонной теории:
В основе зонной теории лежит так называемое адиабатическое приближение. Квантово-механическая система разделяется на тяжелые и легкие частицы — ядра и электроны. Поскольку массы и скорости этих частиц значительно различаются, можно считать, что движение электронов происходит в поле неподвижных ядер, а медленно движущиеся ядра находятся в усредненном поле всех электронов. Принимая, что ядра в узлах кристаллической решетки неподвижны, движение электрона рассматривается в постоянном периодическом поле ядер.
Валентная зона:
Валентная зона — энергетическая область разрешённых электронных состояний в твёрдом теле, заполненная валентными электронами.
В полупроводниках при T=0 (T — абсолютная температура) валентная зона заполнена электронами целиком, и электроны не дают вклада в электропроводность и другие кинетические эффекты, вызываемые внешними полями. При T>0 К происходит тепловая генерация носителей заряда, в результате которой часть электронов переходит в расположенную выше зону проводимости или на примесные уровни в запрещённой зоне. При этом в валентной зоне образуются дырки, участвующие наряду с электронами в зоне проводимости в переносе электрического тока. Дырки в валентной зоне могут также возникать при нетепловом возбуждении полупроводника — освещении, облучении потоком ионизирующих частиц, воздействии сильного электрического поля, который вызывает лавинный пробой полупроводника, и т. п.
Зона проводимости:
Зона проводимости — в зонной теории твёрдого тела первая из незаполненных электронами зон (диапазонов энергии, где могут находиться электроны) в полупроводниках и диэлектриках. Электроны из валентной зоны, преодолев запрещённую зону, при ненулевой температуре попадают в зону проводимости и начинают участвовать в проводимости, то есть перемещаться под действием электрического поля.
В полуметаллах валентная зона перекрывается с зоной проводимости (запрещённая зона имеет формальную отрицательную ширину), поэтому в них даже приабсолютном нуле присутствуют электроны в зоне проводимости.
Запрещенная зона:
Запрещённая зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле.
Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолкомвалентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.
Металлы, полупроводники, диэлектрики:
Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительныйтемпературный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Характерные свойства металлов:
· Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы йод и углерод в виде графита)
· Возможность лёгкой механической обработки
· Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
· Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
· В реакциях чаще всего являются восстановителями
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).
Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например,алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойствадиэлектриков.
Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 см −3 . Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Запрещенная зона и ширина запрещенной зоны
Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещённой зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Запрещенная зона:
Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле.
При абсолютном нуле в атоме полупроводника электроны заполняют энергетические уровни сверху вниз. Самая верхняя полностью заполненная при абсолютном нуле температуры электронами зона называется валентной. Ближайшая к ней незаполненная или частично заполненная зона, располагающаяся сверху, называется зоной проводимости. Как правило, в рассмотрении участвуют именно эти две зоны, поскольку все более глубоко лежащие энергетические зоны полностью заполнены электронами и, следовательно, вклад в проводимость не дают (все уровни заняты, т.е. изменение энергии заряда, обусловленное приложением электрического поля, невозможно).
Упрощенная структура энергетических зон в полупроводнике будет иметь вид, представленный на Рис. 1.
Рис. 1. Зонная диаграмма полупроводника
Между запрещенной зона и зоной проводимости в полупроводнике располагается запрещенная зона.
У проводников запрещенной зоны нет.
Ширина запрещенной зоны:
Расстояние между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называют шириной запрещенной зоны.
При абсолютном нуле, а также при полном затемнении и не слишком сильном электрическом поле полупроводник не будет проводить электрический ток: в зоне проводимости электронов нет, а электроны заполненной валентной зоны не могут изменить свое квантовомеханическое состояние (то есть не могут упорядоченно двигаться при приложении электрического поля), поскольку все соседние уровни заняты. При повышении температуры и (или) освещении полупроводника электроны валентной зоны будут получать дополнительную энергию и переходить в зону проводимости. Вследствие таких переходов, во-первых, появятся электроны в зоне проводимости (они будут участвовать в переносе тока и обеспечивать электронную проводимость), а во-вторых, освободятся верхние уровни валентной зоны, что позволит и ее электронам участвовать в переносе тока, обеспечивая дырочную проводимость.
Ширина запрещенной зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Материал, имеющий запрещенную зону небольшой ширины, является полупроводником.
Ширину запрещённой зоны обозначают Eg (от англ.: g = gap – «промежуток», «зазор») и обычно численно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эВ) – это единица измерения энергии, используемая в физике полупроводников. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт.
Величина параметра Eg различна для разных материалов, она во многом определяет их электрические и оптические свойства. По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества разделяют на проводники – тела, где запрещённая зона отсутствует, то есть электроны могут иметь произвольную энергию, полупроводники – в этих веществах величина Eg составляет от долей эВ до 3-4 эВ и диэлектрики – с шириной запрещённой зоны более 4-5 эВ.
Граница между полупроводниками и диэлектриками условная. Разница между полупроводниками и диэлектриками заключается лишь в величине ширины запрещенной зоны.
Полупроводники с шириной запрещённой зоны менее ≈0,3 эВ принято называть узкозонными полупроводниками, полупроводники с величиной Eg более ≈3 эВ — широкозонными полупроводниками.
Величина Eg может оказаться равной нулю. При Eg =0 для возникновения электронно-дырочной пары не требуется энергия — поэтому концентрация носителей (а с ней и электропроводность вещества) оказывается отличной от нуля при сколь угодно низких температурах, как в металлах. Такие вещества (серое олово, теллурид ртути и др.) относятся к классу полуметаллов.
Ширина запрещённой зоны различных материалов:
| Ширина запрещённой зоны различных материалов | |||
| Материал | Форма | Энергия в эВ | |
| 0 K | 300 K | ||
| Химические элементы | |||
| C (в форме алмаза ) | непрямая | 5,4 | 5,46-6,4 |
| Si | непрямая | 1,17 | 1,11 |
| Ge | непрямая | 0,75 | 0,67 |
| Se | прямая | 1,74 | |
| Типа А IV В IV | |||
| SiC 3C | непрямая | 2,36 | |
| SiC 4H | непрямая | 3,28 | |
| SiC 6H | непрямая | 3,03 | |
| Типа А III В V | |||
| InP | прямая | 1,42 | 1,27 |
| InAs | прямая | 0,43 | 0,355 |
| InSb | прямая | 0,23 | 0,17 |
| InN | прямая | 0,7 | |
| InxGa1-xN | прямая | 0,7-3,37 | |
| GaN | прямая | 3,37 | |
| GaP 3C | непрямая | 2,26 | |
| GaSb | прямая | 0,81 | 0,69 |
| GaAs | прямая | 1,42 | 1,42 |
| AlxGa1-xAs | x x>0,4 непрямая | 1,42-2,16 | |
| AlAs | непрямая | 2,16 | |
| AlSb | непрямая | 1,65 | 1,58 |
| AlN | 6,2 | ||
| Типа А II В VI | |||
| TiO2 | 3,03 | 3,2 | |
| ZnO | прямая | 3,436 | 3,37 |
| ZnS | 3,56 | ||
| ZnSe | прямая | 2,70 | |
| CdS | 2,42 | ||
| CdSe | 1,74 | ||
| CdTe | прямая | 1,45 | |
| CdS | 2,4 | ||
| Типа А IV В VI | |||
| PbTe | прямая | 0,19 | 0,31 |
Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai