Примесные уровни энергии

Рис. 73. Модель образования электронной примесной проводимости в кремнии и германии а — в плоском изображении б — в зонной энергетической диаграмме д — донорный уровень — энергия активации донора 1+ — за-

Примесный уровень иногда располагается близко к низшему уровню свободной зоны, а иногда ближе к верхнему краю заполненной зоны. В первом случае атом примеси может легко отдать электрон в зону проводимости, поскольку ему для этого потребуется меньше энергии. Во втором случае атом примеси относительно легко присоединяет электроны, вылавливая их из заполненной зоны. Вследствие этого в заполненной зоне появляется вакантный уровень — дырка , которая ведет себя подобно положительному заряду и может перемещаться в массе вещества. Это также повышает проводимость полупроводника ( дырочная проводимость). [c.441]

Энергия возбуждения электрона примеси может оказаться меньше Q, поэтому при низких температурах примесная проводимость больше собственной. Если атом примеси может принять электрон (атом—акцептор) и уровень этого электрона лежит вблизи потолка нижней зоны, то электрон из заполненной зоны может перейти к примеси. В результате в нижней зоне образуется дырка и возникает полупроводник"р-типа. [c.518]

Аналогичные явления должны возникать и на интересующих нас границах. Для конкретности рассмотрим границу металл— примесный я-полупроводник. Если уровень электронов примесных атомов выше максимальной энергии электронов металла, то электроны из полупроводника должны переходить в металл до тех пор, пока возникшая из-за этого перехода разница потенциалов [c.519]

Определим среднее число электронов и дырок на примесных уровнях. Будем полагать, что па каждом уровне может находиться только один электрон или одна дырка. Так как возможны два состояния электрона, отличающиеся по ориентации спина, для данного примесного уровня допустимы следующие три варианта уровень не занят, уровень занят электроном с положительным спином, уровень занят электроном с отрицательным спином. Энергию электрона на -м акцепторном уровне обозначаем ел., на /-м донорном уровне ед — ед. (см. рис 28, г). Вначале обсудим вопрос о состоянии электронов на акцептор ных уровнях. Будем рассматривать как систему частицу на -м акцеп торном уровне. Электроны с различной ориентацией спина будем счи тать частицами разного типа. Пусть N 2 соответственно числа элект ронов с положительным и отрицательным спином на данном уровне Возможны следующие значения чисел заполнения [c.197]

Аналогичные явления должны возникать и на интересующих нас границах. Для конкретности рассмотрим границу металл — примесный -полупроводник. Если уровень электронов примесных атомов выше максимальной энергии электронов металла, то электроны из полупроводника должны переходить в металл до тех пор, пока возникшая из-за этого перехода разница потенциалов не скомпенсирует разницу уровней. В результате этого вблизи поверхности полупроводника возникает слой (толщина х) объемного заряда. [c.657]

Поэтому если рассматривают переход из заполненной зоны в зону проводимости и можно пренебречь электронами, переходящими с локальных уровней, то при ТфО уровень Ферми расположится примерно посередине между свободной и заполненной зонами. С другой стороны, если основная часть электронов в зоне проводимости возникает в результате переходов электронов с локальных уровней, уровень Ферми расположится в середине интервала, разделяющего локальный уровень и дно зоны проводимости, как это показано на рис. 30. Такие локальные уровни, которые при Г=О заполнены электронами, а при 7 >0 служат источниками электронов для зоны проводимости, называются донорными уровнями. Примерами донорных уровней могут служить центры или примесные атомы, отдающие электроны с небольшой затратой энергии. [c.139]

По данным оптического спектра поглош,ения облученного силикагеля уровень электронов в ловушках равен — 3,5 эв. Спектр ЭПР дырочных центров в силикагеле, аналогичный спектру в дымчатом кварце, наблюдается при относительно больших концентрациях примесных атомов алюминия. Обш,ий выход парамагнитных центров уменьшается с уменьшением концентрации примесей [18, 20]. Однако известно, что при облучении силикагеля его поверхность сильно дегидратируется. Отсюда следует, что энергия излучения в значительной степени расходуется на дегидратацию, а не накапливается с увеличением концентрации захваченных электронов и дырок. В зонной схеме этот эффект отражен в виде поверхностных дырочных уровней, расположенных ближе к дну зоны проводимости, а увеличение вероятности захвата дырок — изгибом зоны. [c.419]

Б. Примесные атомы имеют меньшее число валентных электронов, чем замещаемые ими атомы основного соединения. По отношению к германию таким свойством обладает, например, бор, занимающий место в третьей группе Периодической системы и имеющий в валентной оболочке три электрона. Поскольку для образования насыщенной ковалентной связи в кристалле германия нужно по четыре электрона от каждого атома, примесному атому бора для этого не хватает одного электрона, и один из принадлежащих-ему разрешенных уровней энергии оказывается свободным. Этот уровень может быть заполнен, если при тепловых флуктуациях атом бора захватит недостающий электрон у одного из соседних атомов германия. В результате примесный атом бора превращается в отрицательно заряженный ион, а в валентной зоне кристалла, образуемой уровнями валентных электронов германия, возникает электронная дырка [c.35]

Захват примесным атомом валентного электрона и последующее удаление образовавшейся дырки на бесконечно большое расстояние от отрицательного иона примеси (переход ее в квазисвободное состояние) требуют преодоления кулоновских сил притяжения. Поэтому энергетический уровень захваченного электрона оказывается расположенным в запрещенной зоне, выше потолка валентной зоны Ен на величину А л, равную энергии реакции ионизации примеси (1.7) (см. рис. 1.5). [c.35]

Число свободных электронов и дырок в полупроводнике может быть найдено с использованием статистики Ферми — Дирака. Равновесные концентрации свободных носителей заряда зависят от положения уровня Ферми. Уровень Ферми для металлов, как известно, равен энергии верхнего заполненного уровня при абсолютном нуле. С позиций статистической термодинамики уровень Ферми — это парциальная мольная свободная энергия, или, другими словами, химический потенциал электронов. При условии, что эффективные массы электронов (гПп) и дырки (гпр) в кристалле равны, при Т — О уровень Ферми в полупроводнике с собственной проводимостью проходит точно по середине запрещенной зоны. Обычно Шр > т , тогда уровень Ферми в полупроводнике с собственной проводимостью расположен ближе к зоне проводимости и при повыщении температуры смещается вверх. Положение уровня Ферми в полупроводниках с примесной проводимостью зависит от концентрации примеси расчет этой величины сложен. [c.457]

Положение уровней иногда можно оценить путем сопоставления энергии ионизации или сродства к электрону свободных примесных атомов (ионов) и ионов основного кристалла, которые определяют энергии валентной зоны и зоны проводимости, с учетом энергии кристаллической решетки (энергии Маделунга, = Aq lr, в случае ионных твердых тел) и действия сил отталкивания. Последнее зависит от способа, по которому атомы в разных валентных состояниях встраиваются в основной кристалл чем больше относительный размер примесных атомов, тем больше несоответствие в размерах и выше расположен энергетический уровень. [c.158]

Рис. 2. Зонная энергетическая диаграмма полупроводника с собственной проводимостью I и с примесной проводимостью и- и р-типов ( -дно зоны проводимости потолок валентной зоны -уровень Ферми и уровни энергии примеси донорного и акцепторного типа соответственно)

Возвращение электрона из возбужденного состояния (в зоне проводимости или на примесном уровне) в состояние с меньшей энергией (свободный уровень в валентной зоне либо примесный уровень) сопровождается выделением избыточной энергии в виде тепла или излучения. В зависимости от продолжительности времени между возбуждением электрона и испусканием света люминесценцию называют флуоресценцией мяи фосфоресценцией. Возбуждение может быть вызвано бомбардировкой электронами (катодолюминесценция), фотооблучением (фотолюминесценция), электрическим полем (электролюминесценция) или химической реакцией (хемилюминесценция). Так называемые фосфоры —вещества, способные к катодолюминесцен-ции, — используются для покрытия экранов электронно-лучевых трубок. Люминесцентные вещества —люминофоры — используются также в лазерах. [c.78]

Наиболее важными дентрами окраски являются / -центры, в которых катион, находящийся в междуузлиях кристаллической решетки, захватывает электрон и при этом образуется свободный металлический атом , уровень энергии которого расположен между зоной проводимости и валентной зоной. Электрон может быть также захвачен примесным катионом или может занять анионную вакансию в кристаллической решетке. Имеются и другие типы центров окраски, среди которых наиболее изучены К-центры. [c.157]

Схема импульсного рубинового лазера показана на рис. 5.2, а. Лазер состоит из рубинового стержня 1, импульсной лампы-вспышки 2, электрода поджигав и двух источников питания системы поджига и лампы вспыщки 5. Уровни энергии встроенных в решетку оксида алюминия (А12О3) примесных атомов хрома (Сг +) с концентрацией 0,05% показаны на рис. 5.2, б. При активации импульсом света лампы-вспышки (накачке) электроны переходят из основного состояния 1 на полосу 2, а с этой полосы за очень короткое время в результате взаимодействия с кристаллической решеткой переходят на узкий нижележащий уровень 3. [c.98]

Для хемосорбции на п-проводнике энергия хемосорбции первого атома будет равна (а—ф)е, где а — сродство к электрону адсорбированного атома и ф—-работа выхода полупроводника, поскольку это выражение определяет изменение энергии электрона при переходе последнего от полупроводника к адсорбату. По мере того, как адсорбируется все большее количество атомов и переносится больше электронов, эти электроны начинают поступать с более глубоко расположенных в твердом теле примесных уровней и в граничном слое возникает объемный заряд. В результате этого изменяется потенциальная энергия электронов в полупроводнике, и при переходе от полупроводника к адсорбату электроны должны преодо- леть энергетический барьер V. Каждый новый адсорбированный атом увеличивает высоту этого барьера, понижая все больше уровень Ферми в полупроводнике. В конечном счете устанавливается равновесие, при котором потенциальная энергия электронов в адсорбате становится равной потенциальной энергии электронов (т. е. уровню Ферми) в полупроводнике. Дальше хемосорбция не может протекать с уменьшением свободной энергии. Пусть высота барьера при этом равна Vа число адсорбированных атомов (ионов) — N . СоЧедо-вательно. Л/,, электронов ушло из полупроводника, в результате чего граничный слой толщиной I обедняется носителями тока. [c.504]

Что же произойдет, если мы искусственно заселим верхний уровень большим числом частиц, чем нижний Нередки условия, при которых взаимодействие между спиновыми степенями свободы сильнее, чем между спинами и кристаллической решеткой. Заметим, что перейти с верхнего уровня на нижний без участия атомов тела невозможно. Пренебрегая взаимодействием спинов с решеткой, мы обрекаем спины примесных частиц на в некотором смысле изолированное суш,ествова-ние. Они могут успеть прийти в квазиравновесное состояние до того, как придут в состояние равновесия со всем твердым телом. Какая температура окажется у спинов, если в состоянии с большей энергией будет больше частиц, чем в состоянии с меньшей Как ни парадоксально, отрицательная] [c.342]

Доуден [27] тем же методом, что и в теории металлов, исследовал вероятность образования положительных ионов на собственных и примесных полупроводниках . Было показано, что энергия активаций этого процесса в собственных полупроводниках пропорциональна (/ — ср А /2), где / == / + АГ7+ — потенциал ионизации активированного комплекса энергия активации уменьшается с ростом работы выхода и падением А , величина (ср —Д /2) определяет уровень Ферми. В случае полупроводников п- и р-типа уровень Ферми дается соответственно выражениями (ср — А - -А 72) и (ср — Д 72) энергия активации для образования положительного иона в этих случаях пропорциональна величинам (/ —ср- -А — АЕ 12) и (/ —ср- -Д "/2). [c.40]

Так называются те случаи переноса энергии, когда орбиты молекул А и В заметно перекрываются. В области перекрывания орбит электроны неразличимы и возбужденный электрон может, таким образом, оказаться в молекуле В. Этот процесс символически записывается в виде А +В- А+В, где В может быть молекулой того же типа, что и А, или молекулой, отличной от А, но находящейся в соответственном возбужденном состоянии. Разбираемый процесс относится к числу эффектов с малым радиусом действия, так как перекрывание орбит очень быстро уменьщается при удалении молекул более чем на 2—5 А (в зависимости от размера орбит). В кристаллах такой процесс играет особо важную роль по следующим причинам. Предположим, что мы облучаем чистый образец какого-либо вещества, содержащий, скажем, лишь одну миллионную долю примеси. Тогда подавляющая часть света поглощается молекулами основного вещества (если только длина волны облучающего света не такова, что он может поглощаться только примесью и не может поглощаться основным веществом). Однако в кристаллической структуре энергия возбуждения может передаваться от молекулы к молекуле, пока, наконец, она не будет захвачена примесным центром. Во время этого процесса некоторая избыточная колебательная энергия, которой могла обладать первая возбужденная молекула, довольно быстро рассеивается по кристаллической решетке. При передаче энергии изоэнергети-ческой молекуле примеси также теряется колебательная энергия. В таком случае энергия возбуждения может уменьшиться настолько, что ее уже не хватит для того, чтобы снова возбудить электронный уровень молекулы основного вещества, и примесный центр начинает действовать как ловушка. Процесс миграции прекращается, и остаток энергии возбуждения либо излучается в виде кванта света, характерного для примеси, либо в конце концов рассеивается в виде энергии колебания решетки (либо может привести к появлению свободного электрона в зоне проводимости кристалла и дырки в валентной зоне.—Прим. ред.). [c.137]

Поскольку обычно число примесных атомов сравнительно невелико по сравнению с атомами основного вещества, они оказываются на сравнительно больщих расстояниях друг от друга, вследствие чего степень перекрытия их волновых функций практически равна нулю. Поэтому атомы примеси не могут образовать энергетическую зону, и их энергетическое состояние характеризуется изолированным энергетическим уровнем основного состояния пятого валентного электрона. Этот уровень находится в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, поскольку энергия отрыва такого электрона мала (рис. 10.6). Примеси такого типа, обра- [c.254]

Трехуровневая схема усиления индуцированного излучения является наиболее распространенной для твердотельных лазеров (ТЛ). Она реализуется, например, на основе стержневых кристаллов синтетических рубинов, используемых в качестве рабочего тела. В результате облучения кристалла светом мощной газоразрядной лампы (стадия накачки) примесные ионы возбуждаются и передают избыток энергии кристаллической решетке (стадия безизлучательного перехода). Далее ионы переходят на основной уровень, излучая свет с 0,7 мкм. [c.379]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология