Электрохимия полупроводников. Батенков В.А. - 10 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

АлтГУ | Барнаул

Составители: 

Рубрика: 

10
Е
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Е
С
+- ---+--+
-
б
+
б’
-+--+--+-
-
E
D
a a
’
∆
E
g
E
F
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
•
--
E
A
в
в
’
E
V
+
+ + + + + +
+
+
+ + + + + + +
+ + + + + + + +
У атомов полупроводников свободные разрешённые энергетические уровни для возбуж-
дённых электронов заметно отличаются от их уровней в невозбуждённом состоянии. Между
валентной зоной E
V
и зоной проводимости для возбуждённых электронов E
C
возникает энерге-
тический зазор –
запрещённая зона: ∆Е
g
= E
C
– E
V
(см. рис. 3). В этой зоне для электронов нет
разрешённых энергетических уровней с нужным набором квантовых чисел. Однако, согласно
статистике Ферми–Дирака для невырожденного полупроводника энергетический
уровень Фер-
ми
E
F
, представляющий электрохимический потенциал электронов, расположен в запрещён-
ной зоне, где электроны находиться не могут. Это потому, что он лишь условно выражает плот-
ность и усреднённую энергию квантовых состояний электронов, которые в действительности
сосредоточены в зоне проводимости и в валентной зоне полупроводника.
Ширина запрещённой зоны зависит от природы полупроводника и может изменяться от до-
лей до нескольких эВ (см. таблицу 1). С ростом температуры она уменьшается по уравнению (эВ):
∆Е
g
= E
C
– E
V
= ∆Е
g0
– αT
2
/ (T + A), (1)
где
∆Е
g0
– ширина запрещённой зоны полупроводника при Т = 0 К; α – температурный коэффи-
циент,
α = d∆E
g
/ dT ≈ (5 ± 0,5)⋅10
–4
эВ/К; А – постоянная, которая зависит от природы полупро-
водника. Для германия, кремния и арсенида галлия
∆Е
g0
соответственно равна 0.744, 1.17 и
1.52 эВ;
α – 0.477, 0.473 и 0.540 мэВ/К; постоянная А – 235, 636 и 204 К [2].
5. Равновесные концентрации элект р о нов и пазонов
В отличие от металлов в полупроводниках образование (генерация) носителей заряда
может происходить разным образом, что показано в рисунках 2 и 3 и пояснениях к ним. Это,
во-первых, образование отрицательно заряженных свободных
электронов, которые движут-
ся
по междоузлиям кристаллической решётки (как в металлах), т. е. в зоне проводимости.
Во-вторых, это образование положительно заряженных
пазонов (дырок). Перенос тока ими
эквивалентен и противоположен движению валентных электронов по дефектам (пазонам) в
ковалентных связях, т. е. в валентной зоне. Отсюда два вида электрического тока:
электрон-
ный
и пазонный (дырочный) ток, что позволяет различать два вида полупроводников.
Генерация носителей заряда – это переход электронов возбуждённых атомов на более
высокие свободные энергетические уровни, что приводит к увеличению концентрации носите-
лей заряда. Возбуждение электронов может происходить
при повышении температуры по-
лупроводника, т. е. при увеличении энергии колебаний атомов его кристаллической решётки,
при облучении полупроводника светом и другими достаточно мощными видами излучений,
при разрыве валентных связей
в сильных электрических полях и т. п.
Межзонная генерация сразу двух носителей тока: электрона и пазона, связанная с переходом
электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется
биполярной генерацией (см. рисунки 2
и 3, случай а). Переход возбуждённых электронов от атомов донорной примеси в междоузлие кри-
сталлической решётки (в зону проводимости) и валентных электронов атома полупроводника к ато-
мам акцепторной примеси называется
монополярной генерацией (см. рисунки 2 и 3, случаи б и в).
Рис. 3. Схема энергетических зон полупроводника
Е
C
– нижний энергетический уровень зоны проводимости;
E
V
– верхний энергетический уровень валентной зоны;
E
D
– энергетический уровень донорной примеси;
Е
А
– энергетический уровень акцепторной примеси;
E
F
– энергетический уровень Ферми;
∆Е
g
– ширина запрещённой зоны.
Переходы электронов: а и а
′ – из валентной зоны полу-
проводника в его зону проводимости и обратно;
б и б
′
– с уровня E
D
в зону проводимости и обратно;
в и
в
′
– из валентной зоны на
ур
овень
Е
А
и об
р
атно.
Е   •    •    •   •       •   •     •    •   •    Рис. 3. Схема энергетических зон полупроводника
     •    •   •       •       • •       • • •
    •     • • •           •     •       • •      ЕC – нижний энергетический уровень зоны проводимости;
                                      ЕС         EV – верхний энергетический уровень валентной зоны;
                      б       б’                 ED – энергетический уровень донорной примеси;
     +- ---+--+ - + -+--+--+-- E D
                                                 ЕА – энергетический уровень акцепторной примеси;
       a a’ ∆ E g                     EF         EF – энергетический уровень Ферми;
    •--•--•--•--•--•--•--•--•--•--•-- E A        ∆Еg – ширина запрещённой зоны.
                          в в’ E V                Переходы электронов: а и а′ – из валентной зоны полу-
    + ++ + + + + ++                               проводника в его зону проводимости и обратно;
       + + + + + + +                              б и б′ – с уровня ED в зону проводимости и обратно;
     + ++ + + + + +
                                                  в и в′ – из валентной зоны на уровень ЕА и обратно.

      У атомов полупроводников свободные разрешённые энергетические уровни для возбуж-
дённых электронов заметно отличаются от их уровней в невозбуждённом состоянии. Между
валентной зоной EV и зоной проводимости для возбуждённых электронов EC возникает энерге-
тический зазор – запрещённая зона: ∆Еg = EC – EV (см. рис. 3). В этой зоне для электронов нет
разрешённых энергетических уровней с нужным набором квантовых чисел. Однако, согласно
статистике Ферми–Дирака для невырожденного полупроводника энергетический уровень Фер-
ми EF, представляющий электрохимический потенциал электронов, расположен в запрещён-
ной зоне, где электроны находиться не могут. Это потому, что он лишь условно выражает плот-
ность и усреднённую энергию квантовых состояний электронов, которые в действительности
сосредоточены в зоне проводимости и в валентной зоне полупроводника.
      Ширина запрещённой зоны зависит от природы полупроводника и может изменяться от до-
лей до нескольких эВ (см. таблицу 1). С ростом температуры она уменьшается по уравнению (эВ):
        ∆Еg = EC – EV = ∆Еg0 – αT 2 / (T + A),                                                (1)
где ∆Еg0 – ширина запрещённой зоны полупроводника при Т = 0 К; α – температурный коэффи-
циент, α = d∆Eg / dT ≈ (5 ± 0,5)⋅10–4 эВ/К; А – постоянная, которая зависит от природы полупро-
водника. Для германия, кремния и арсенида галлия ∆Еg0 соответственно равна 0.744, 1.17 и
1.52 эВ; α – 0.477, 0.473 и 0.540 мэВ/К; постоянная А – 235, 636 и 204 К [2].

             5. Равновесные концентрации элект р о нов ипазонов
      В отличие от металлов в полупроводниках образование (генерация) носителей заряда
может происходить разным образом, что показано в рисунках 2 и 3 и пояснениях к ним. Это,
во-первых, образование отрицательно заряженных свободных электронов, которые движут-
ся по междоузлиям кристаллической решётки (как в металлах), т. е. в зоне проводимости.
Во-вторых, это образование положительно заряженных пазонов (дырок). Перенос тока ими
эквивалентен и противоположен движению валентных электронов по дефектам (пазонам) в
ковалентных связях, т. е. в валентной зоне. Отсюда два вида электрического тока: электрон-
ный и пазонный (дырочный) ток, что позволяет различать два вида полупроводников.
      Генерация носителей заряда – это переход электронов возбуждённых атомов на более
высокие свободные энергетические уровни, что приводит к увеличению концентрации носите-
лей заряда. Возбуждение электронов может происходить при повышении температуры по-
лупроводника, т. е. при увеличении энергии колебаний атомов его кристаллической решётки,
при облучении полупроводника светом и другими достаточно мощными видами излучений,
при разрыве валентных связей в сильных электрических полях и т. п.
      Межзонная генерация сразу двух носителей тока: электрона и пазона, связанная с переходом
электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется биполярной генерацией (см. рисунки 2
и 3, случай а). Переход возбуждённых электронов от атомов донорной примеси в междоузлие кри-
сталлической решётки (в зону проводимости) и валентных электронов атома полупроводника к ато-
мам акцепторной примеси называется монополярной генерацией (см. рисунки 2 и 3, случаи б и в).

                                                        10

Страницы