Равновесие кристалл пар электронов и дырок

В кристаллах чистых полупроводников при разрыве ковалентных связей появляются свободные электроны и равное им число дырок. Каждой температуре соответствует подвижное равновесие между электронами и дырками сколько электронов образуется, столько же их соединяется с дырками. Поэтому проводимость в чистом полупроводнике осуществляется одновременно зарядами обоих знаков. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. [c.249]

Адсорбция молекулы на полупроводнике приводит к появлению локальных акцепторных или донорных уровней в запрещенной зоне кристалла. Удаление электрона с акцепторного уровня или дырки с донорного уровня означает переход хемосорбированной частицы из состояния прочной связи в состояние слабой связи. При наличии электронного равновесия на поверхности определенные доли хемосорбированных частиц будут находиться на поверхности в состоянии слабой , прочной акцепторной и прочной донорной связи. Обозначим, соответственно, через Мо, М , число частиц на поверхности, находящихся в каждом из этих состояний. [c.491]

Компонентом химических равновесий является всякий дефект или примесь в кристалле, энергия образования которого велика по сравнению с кТ. Если же эта энергия мала по сравнению с кТ, то дефекты или примеси находятся в мгновенном равновесии и не могут рассматриваться как отдельные компоненты. Следовательно, атомы примеси, ионы, вакансии, электроны, дырки должны рассматриваться как компоненты химических равновесий, устанавливающихся в объеме кристалла. [c.171]

Ранее мы говорили, что электроны (проводимости) и дырки можно рассматривать, как дефекты твердого тела, в этой и последующих главах широко используется теория химического равновесия, в которой электроны и дырки выступают как химические единицы. Представление об электронах и дырках как химических единицах неприменимо к металлам, где концентрации этих частиц имеют тот же порядок, что и число атомов и не зависят ни от присутствия, ни от концентрации дефектов в кристалле. В диэлектриках и полупроводниках, однако, концентрации электронов и дырок обычно зависят от присутствия дефектов, и они меньше концентрации атомов самого кристалла. В таких веществах вполне допустимо рассматривать электроны и дырки как химические единицы. Согласно законам термодинамики, химический потенциал нейтрального -го компонента определяется выражением [c.89]

При изменении полярности наступает обратное явление электроны и дырки, двигаясь в разные стороны, увеличивают в пограничном слое р—п перехода количество неосновных носителей и тем самым повышают потенциальный барьер. Число электронов, способных преодолеть этот барьер, резко упадет и ток уменьшится. Таким образом, можно сделать следующий вывод при приложении к полупроводнику с р—п переходом внешнего напряжения в прямом направлении потенциальный барьер перехода уменьшается, равновесие носителей нарушается и возникает прямой ток, сопровождаемый рекомбинацией носителей. Рассмотрим теперь кристалл арсенида галлия, энергетическое состояние которого в равновесии изображено на рис. 2. 38, а. [c.90]

Из изложенного следует, что введение примеси в решетку полупроводника можно осуществлять как путем простого замещения атома полупроводника на атом примеси с внедрением одного электрона или одной дырки, так и путем одновременного замещения двух атомов полупроводника одним атомом примеси и одной вакансией. Какой из этих двух механизмов введения примеси в кристалл будет осуществляться, зависит от преобладающего в данном материале типа врожденных дефектов. Например, в германии и в кремнии основным видом врожденных дефектов являются электроны и дырки в теллуре — вакансии р = [Ухр]. Если точечные дефекты или введенные в кристалл атомы примеси образуют двухзарядные центры, например V , то учет соответствующего изменения условий равновесия показывает, что внедрение в решетку кристалла высоких концентраций донорной примеси сопровождается введением одной вакансии на каждые два атома примеси. [c.188]

Если связь между электроном и дыркой нарушена (кристалл — идеальный изолятор с широким энергетическим провалом между наивысшей заполненной и наинизшей пустой полосами), то оба заряда могут свободно двигаться по решётке независимо друг от друга. При таком движении оба быстро теряют за счёт столкновений с решёткой полученную при возбуждении кинетическую энергию, пока не займут каждый в своей полосе энергетического уровня, соответствующего тепловому состоянию решётки. Время осуществления термического равновесия в полосах при комнатной температуре оказывается порядка 10 сек. и увеличивается при охлаждении в соответствии с увеличением длины свободного пути обеих частиц. Электрон за этот период падает на самый низкий из подуровней полосы проводимости, а дырка всплывает на самый верхний подуровень заполненной полосы. Соответствующее перемещение обоих зарядов указано на рис. 63 стрелками. Рекомбинация электрона и дырки из их конечного положения (переход Я) может иметь место, когда векторы распространения их равны и когда оба заряда окажутся достаточно близко друг к другу (- 10- см). Квант испускаемого при этом света (Лу,) будет меньше исходного кванта на величину энергии, потерянную при миграции зарядов в решётке. Оба вышеуказанных требования делают переход / маловероятным. Первое условие, в частности, выполнимо лишь в тех кристаллах, где по характеру [c.279]

Для изучения химических реакций в твердых телах были проведены химические исследования на высокочистых полупроводниковых материалах [1]. Движения атомов в полупроводниках важны не только в связи с технологическим использованием методов диффузии для образования контактов в полупроводниковых устройствах, но также и потому, что чистые и почти совершенные полупроводниковые кристаллы являются особенно хорошей средой для изучения взаимодействия примесей и зависящих от диффузии реакций в твердой фазе. При изучении химических взаимодействий между примесями было показано, что можно использовать германий и кремний в качестве среды для наблюдения в очень разбавленных твердых растворах разнообразных химических явлений, обычно связанных с водными или другими жидкими растворами. Аналогия с водными растворами хорошая, так как и полупроводник, и вода при обычных температурах являются слабо ионизованными средами, причем при ионизации электроны и дырки образуются в полупроводнике так же, как водородные и гидроксильные ионы в воде. Электронно-дырочное равновесие и закон действия масс можно непосредственно применить к таким проблемам, как растворимость примеси, находящейся в равновесии с внешней фазой, ионизация примеси и распределение ее между различными местами кристаллической решетки соединения, таким же способом, который обычно используют для расчетов кислотно-щелочного равновесия, действия общего иона и т, д. Образование ионных нар в полупроводниках было детально и количественно изучено твердое вещество является отличной средой для проведения таких исследований вследствие его чистоты, отсутствия осложнений, вызываемых, например, эффектом гидратации и возможностью легко и независимо варьировать концентрации взаимодействующих ионов. [c.44]

Рассмотрим на обсуждавшихся конкретных примерах эффект частичного равновесия. Будем считать, что вакансии Ум — однократно ионизированные акцепторы (рис. Х.2 и Х.З). Если кристаллы, приготовленные при различных температурах, быстро охладить, то концентрация атомных дефектов может сохраниться при условии, что атомы не мигрируют. Поскольку миграция требует сравнительно высокой энергии активации, то заморозить ее можно. Однако движению электронов и дырок охлаждение не препятствует, поэтому электронные равновесия поддерживаются. При достаточно низкой температуре (Т ж 0) все собственные электроны и дырки рекомбинируют, а оставшиеся дырки захватываются Ум-центрами, которые и превращаются в Ум-центры. В соответствии с условием электронейтральности [c.248]

Эти эффекты ясно проявляются на схеме, изображающей состояние быстро охлажденного до Т = 0° кристалла в предположении, что закалка обусловливает замораживание всех атомных процессов и не влияет на протекание электронных процессов. В данном случае мы имеем дело с частичным равновесием, при котором концентрация атомных дефектов определяется высокотемпературным равновесием. Электроны и дырки в процессе охлаждения рекомбинируют, а избыток тех или других занимает локальные уровни атомных дефектов таким образом, чтобы энергия была минимальной (электроны занимают наиболее глубокие уровни, а дырки — самые высокие). [c.262]

Центральной проблемой хемосорбции и катализа является вопрос о природе активных центров и реакционной способности адсорбированных молекул. В данной статье рассматриваются случаи полупроводников и диэлектриков. Электронная теория хемосорбции (ЭТХ) 11—3] принимает в качестве активных центров электроны и дырки кристалла полупроводника, которые либо свободно перемещаются по поверхности, либо локализованы на ее структурных дефектах. Хемосорбция есть результат взаимодействия адсорбированной молекулы с этими центрами. Хемосорбированные молекулы, рассматриваемые как некоторая поверхностная примесь, создают в энергетическом спектре кристалла свою систему локальных уровней. В условиях равновесия заселенность уровней однозначно определяется положением уровня Ферми на поверхности. В соот ветствии с этим ЭТХ рассматривает две формы хемосорбции нейтральную (слабую) форму, когда связь молекулы с поверхностью осуществляется без участия свободных носителей решетки (в энергетическом спектре ей соответствуют пустые уровни), и заряженную форму, при которой происходит локализация носителя на адсорбированной частице или около нее (заполненные уровни). Локализация носителя упрочняет (адсорбционную связь и приводит к заряжению поверхности относительно объема полупроводника. Согласно ЭТХ, вовлечение в хемосорбционную связь свободных носителей вызывает возникновение радикальных (или ионо-радикальных) форм хемосорбции или валентно-насыщенных соединений частиц с поверхностью [1—3]. Поскольку радикальная форма реакционно способна, ЭТХ для случая однородной поверхности установила связь каталитической активности поверхности с положением локальных уровней хемосорбированных частиц и уровня Ферми в ее энергетическом спектре. [c.25]

Ю. А. Зарифьянц (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, физический факультет). Теоретическое рассмотрение адсорбционного взаимодействия исходит из наличия термодинамического равновесия в системе адсорбент — адсорбат. При этом считается естественным, что электронный ансамбль диэлектрика или полупроводника также находится в тепловом равновесии с решеткой. Однако в реальных кристаллах очень важную роль играют также неравновесные процессы, связанные с отклонением концентрации свободных носителей от равновесной за счет тепловых флуктуаций или под действием внешнего возбуждения (света, электрического поля и т. д.). В обоих случаях образуется пара электрон — дырка, которая странствует но решетке до тех нор, пока не происходит их рекомбинация на каком-нибудь центре, обладающем достаточной вероятностью захвата обоих типов носителей. Выделяющаяся при этом энергия либо передается решетке, либо уносится фотоном. [c.110]

Рассмотрим на примере германия, как это происходит. Германий, подобно алмазу, имеет тетраэдрическую структуру, но менее упорядоченную, менее прочную. Атомы и кристаллы германия соединены между собой парой электронов. Энергия, сообщаемая кристаллу извне, например при нагревании или при облучении, может быть получена одним из электронов, участвующих в образовании ковалентной связи. Если эта энергия нревысит ту, которая необходима, чтобы вырвать электрон из его связи, электрон оторвется и перейдет к другому атому. Однако ввиду того, что там все места заняты, он перейдет к следующему и т. д. Движение его при этом будет беспорядочным. Именно эти электроны обусловливают электронную проводимость в полупроводниках. В том месте, откуда электрон вышел (где разорвалась или, точнее, ослабла связь), там образуется избыток положительного заряда, или дырка . Электрон соседнего атома может заполнить эту дырку, и тогда она образуется на новом месте и т. д. Движение дырки аналогично движению положительного заряда. Таким образом, в полупроводнике происходит одновременно перемещение электронов и движение дырок , т. е. имеет место и электронная, и дырочная проводимость. Если электрон попадает на место дырки, происходит возвращение к исходному состоянию. Каждой определенной температуре соответствует подвижное равновесие между электронами и дырками сколько электронов проводимости образуется, столько их и исчезает из-за соединения с дырками. [c.266]

В II. 1—II.2 мы познакомились с дефектами кристаллов, образованными атомами (точечные) и группами атомов (протяженные). Они, как известно, подчиняются статистике Больцмана. Но в физике полупроводников рассматриваются дополнительные дефекты , образованные микрочастицами электронами, дырками, фотонами, фснонами, экси-тонами и др. Дефекты такого рода оказывают ренаюдее влияние на поведение полупроводников. Хотя в определенных случаях равновесие электронов и дырок, как мы видели в VIII.1, может рассматриваться с тех же позиций, как, например, ионное произведение воды. [c.525]

Мотт считает, что нри комнатной температуре азид бария представляет собой ионный проводник, иричем ионы металла подвижны и занимают в решетке при термическом равновесии промежуточные положения. При этом предполагается, что ионы N" неподвижны. Под влиянием ультрафиолетового облучения электроны вырываются из ионов азила и попадают в полосу проводимости кристалла. Положительные дырки , остающиеся в заполненной [c.135]

В кристалле, находящемся в состоянии теплового равновесия, свободные (юсители тока (электроны и дырки) возникают в результате термического возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс, по существу, одинаковый и для простых твердых тел и для соединений, можно записать в виде реакции [c.191]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология