Электрохимия полупроводников. Батенков В.А. - 28 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

АлтГУ | Барнаул

Составители: 

Рубрика: 

28
В отличие от металлов в невырожденном полупроводнике уровень Ферми электронов
располагается в запрещенной зоне, т.е. в зоне уровней, которых электрон не может иметь.
Считается, что уровень Ферми лишь условно выражает электрохимический потенциал элек-
тронов через плотность и энергию квантовых состояний.
1.1.2. Строение границы раздела полупроводник – электролит [5]
Рассмотрим идеализированную электростатическую картину строения границы раздела
полупроводник – электролит для случая, когда полупроводник инертен, т.е. не взаимодействует
с электролитом химически и лишь обменивается с частицами раствора только электронами. Как
и в случае металла, при контакте полупроводника с электролитом заряды из одной фазы будут
переходить в другую до тех пор, пока при равновесии электрохимические потенциалы (уровни
Ферми) электронов в полупроводнике (индекс sс) и в электролите (индекс el) не будут равными:
µ
µ
sс e
el e
,
,
=
. (1.6)
В отличие от металла, в полупроводнике возникает обширная
область пространствен-
ного заряда (ОПЗ)
, обусловленная малой концентрацией в нём носителей тока.
Пример 1. В металле, например в меди, число свободных электронов можно принять
равным числу его атомов: N
A
·ρ
Cu
/A
cu
= 6⋅10
23
моль
–1
· 8.9 г⋅см
–3
/ 63.5 г⋅моль
–1
∼10
23
электро-
нов/см
3
. При наличии во внешнем слое Гельмгольца даже сплошного монослоя зарядов кон-
центрацией 10
15
зарядов/см
2
он будет скомпенсирован подводом или удалением электронов в
поверхностном слое металла на глубину 10
15
/10
23
= 10
–8
см, т. е. на глубину примерно одного
периода кристаллической решетки металла. В полупроводнике с концентрацией свободных
носителей зарядов 10
16
зарядов/см
3
, плотность зарядов в слое Гельмгольца, равная лишь 10
12
зарядов/см
2
, требует подвода или удаления свободных носителей зарядов в полупроводнике в
среднем на глубину 10
12
/10
16
= 10
–4
см, т. е. на глубину порядка 10 тысяч монослоев кристал-
лической решетки. В действительности ширина ОПЗ в полупроводнике будет значительно
больше, так как распределение зарядов происходит диффузно, по экспоненциальному закону.
Таким образом, в отличие от металлов, Гальвани-потенциал
ϕ
1,2
, т. е. скачок потенциа-
ла
между электронейтральными объемами полупроводника (фаза 1) и электролита (фаза 2), в
общем случае должен состоять из трех слагаемых (cм. рис. 1.3):
ϕ
1,2
= ϕ
1
+ ϕ
o
+ ψ, (1.7)
где
ϕ
1
, ϕ
o
, и ψ – падение потенциала соответственно в ОПЗ полупроводника L
1
* (или L
±
), плот-
ном слое Гельмгольца d
o
и слоe Гуи L
2
* – диффузной заряженной части электролита (рис. 1.3).
+ + + +|– – – –
+ + +|– – –
П
+ + +
|
– – – –
Э
а
+ + + | – – –
+ + +
+|– – –
L
1
d
o
L
2
L
1
*
L
2
*
+
Q
б
0
х
–
ϕ
ϕ
1
ϕ
о
ψ
в
х
Рис. 1.3. Граница раздела полупроводник (П) –
– электролит (Э)
а – строение границы раздела;
б – распределение заряда на границе раздела;
в – распределение потенциала на этой границе.
L
1
– приведённая толщина ОПЗ полупроводника;
d
o
– толщина плотного слоя (слой Гельмгольца);
L
2
– приведённая толщина слоя Гуи.
ϕ
1
– падение потенциала в ОПЗ полупроводника;
ϕ
o
– падение потенциала в слое Гельмгольца;
ψ– падение потенциала в слоe Гуи
     В отличие от металлов в невырожденном полупроводнике уровень Ферми электронов
располагается в запрещенной зоне, т.е. в зоне уровней, которых электрон не может иметь.
Считается, что уровень Ферми лишь условно выражает электрохимический потенциал элек-
тронов через плотность и энергию квантовых состояний.
          1.1.2. Строение границы раздела полупроводник – электролит [5]
      Рассмотрим идеализированную электростатическую картину строения границы раздела
полупроводник – электролит для случая, когда полупроводник инертен, т.е. не взаимодействует
с электролитом химически и лишь обменивается с частицами раствора только электронами. Как
и в случае металла, при контакте полупроводника с электролитом заряды из одной фазы будут
переходить в другую до тех пор, пока при равновесии электрохимические потенциалы (уровни
Ферми) электронов в полупроводнике (индекс sс) и в электролите (индекс el) не будут равными:
      µ     = µ
              sс, e
                   .
                           el , e
                                                                                    (1.6)
     В отличие от металла, в полупроводнике возникает обширная область пространствен-
ного заряда (ОПЗ), обусловленная малой концентрацией в нём носителей тока.
     Пример 1. В металле, например в меди, число свободных электронов можно принять
равным числу его атомов: NA·ρCu/Acu = 6⋅1023 моль–1 · 8.9 г⋅см–3 / 63.5 г⋅моль–1 ∼1023 электро-
нов/см3. При наличии во внешнем слое Гельмгольца даже сплошного монослоя зарядов кон-
центрацией 1015 зарядов/см2 он будет скомпенсирован подводом или удалением электронов в
поверхностном слое металла на глубину 1015/1023 = 10–8 см, т. е. на глубину примерно одного
периода кристаллической решетки металла. В полупроводнике с концентрацией свободных
носителей зарядов 1016 зарядов/см3, плотность зарядов в слое Гельмгольца, равная лишь 1012
зарядов/см2, требует подвода или удаления свободных носителей зарядов в полупроводнике в
среднем на глубину 1012/1016 = 10–4 см, т. е. на глубину порядка 10 тысяч монослоев кристал-
лической решетки. В действительности ширина ОПЗ в полупроводнике будет значительно
больше, так как распределение зарядов происходит диффузно, по экспоненциальному закону.
     Таким образом, в отличие от металлов, Гальвани-потенциал ϕ1,2, т. е. скачок потенциа-
ла между электронейтральными объемами полупроводника (фаза 1) и электролита (фаза 2), в
общем случае должен состоять из трех слагаемых (cм. рис. 1.3):
          ϕ1,2 = ϕ1 + ϕo + ψ,                                                                (1.7)
где ϕ1, ϕo, и ψ – падение потенциала соответственно в ОПЗ полупроводника L1* (или L±), плот-
ном слое Гельмгольца do и слоe Гуи L2* – диффузной заряженной части электролита (рис. 1.3).
          +            +  + +|– –     –    –
                  +          +|–   –+    –
 П                      +  + +|– –   –       –   Э а
                      + +   + |–    – –                  Рис. 1.3. Граница раздела полупроводник (П) –
              +        +  + +|– –      –                                – электролит (Э)
                          L1 do L2
                      L1*               L2*              а – строение границы раздела;
+                                                        б – распределение заряда на границе раздела;
Q                                                    б   в – распределение потенциала на этой границе.
 0                                               х
                                                         L1 – приведённая толщина ОПЗ полупроводника;
–                                                        do – толщина плотного слоя (слой Гельмгольца);
                                                         L2 – приведённая толщина слоя Гуи.
ϕ
     ϕ1                                                  ϕ1 – падение потенциала в ОПЗ полупроводника;
                                                         ϕo– падение потенциала в слое Гельмгольца;
     ϕо
                                                         ψ– падение потенциала в слоe Гуи
     ψ                                               в
                                                 х

                                                         28

Страницы