Полупроводники уровень Ферми

В идеальном кристалле полупроводника (в отсутствие примесей) уровень Ферми расположен примерно посредине между зонами валентной и проводимости (уровень е,, на рис. 112, а). При наличии донорной примеси (имеющей лишние электроны) уровень Ферми по- [c.454]

Известно, что отрицательные (Л"), нейтральные (Л ) и положительные центры (т]" )— дырки находятся в равновесии и доля каждой формы определяется уровнем Ферми Уровень Ферми повышается при наличии донорных примесей и понижается в присутствии акцепторных. Имеются данные, что сульфидные катализаторы, в частности WSj, представляют собой п-полупроводники, в которых есть избыточная нестехиометрическая сера — акцепторная примесь Вполне возможно, что сера может играть аналогичную роль и в других сульфидных катализаторах. [c.127]

Как вытекает из теории твердого тела, уровень Ферми ер в объеме полупроводника всегда расположен в пределах запрещенной зоны, причем для собственных полупроводников (без примесей доноров или [c.292]

Поскольку массы близки по величине, то вторым членом в (2) можно пренебречь. В собственном полупроводнике уровень Ферми расположен посередине запрещенной зоны. [c.279]

Механизм действия многочисленных полупроводниковых катализаторов, как показал Ф. Ф. Волькенштейн, существенно зависит от положения уровня Ферми (т.е. усредненного значения химического потенциала электрона в полупроводнике). Частицы на поверхности катализатора связаны с ней одноэлектронной или более прочной-—двухэлектронной связью. Чем выше уровень Ферми, тем больше доля частиц, несущих отрицательный заряд, и тем меньше доля частиц, связанных с поверхностью донорной связью, т. е. положительно заряженных. Число нейтральных частиц при изменении уровня Ферми проходит через максимум. Таким образом электронные свойства полупроводника определяют возможные состояния частиц на его поверхности и, следовательно, и направление химических процессов между ними. Влияние дефектов или примесей также зависит от того, как отзывается их появление иа положении уровня Ферми. [c.322]

Соотношение токов обмена и Гр определяется положением уровня Ферми в полупроводнике и равновесным потенциалом (Е ) окислительно-восстановительной системы. При этом ток оказывается тем больше, чем более отрицательное значение имеет Е и чем ближе к зоне проводимости располагается уровень Ферми. Последний эффект достигается введением в полупроводник доноров электронов (например, введением примеси Аз в Ое). Введение в полупроводник примесей акцепторов, наоборот, приводит к росту д и уменьшению 1%. Таким образом поляризационная характеристика для реакции (I) на полупроводниковом электроде оказывается весьма сложной и зависяш,ей от многих факторов. Ограничимся поэтому рассмотрением упрощенного случая, когда Д ф 0, и При этих условиях из уравнения (57.10) получаем [c.295]

Расстояние уровня Ферми от зоны проводимости е входит в качестве слагаемого в энергию активации реакции, определяя таким образом, при прочих равных условиях, скорость реакции или каталитическую активность полупроводника по отношению к данной реакции. Уровень Ферми выступает как регулятор не только каталитической, но и адсорбционной способности поверхности полупроводника. [c.166]

Запорный слой. Рассмотрим контакт металла с полупроводником. Если уровень Ферми металла лежит ниже уровня Ферми полупроводника, т. е. W e > (рис. 187, б), то поток электронов, вылетающих из полупроводника и попадающих в металл, в первый момент превышает поток электронов из металла. Металл заряжается отрицательно, а полупроводник положительно, в результате между контактирующими образцами возникают контактная разность У/ и электрическое поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника в металл. Направленный поток электронов имеет место до тех пор, пока уровни Ферми в системе не выравняются, после чего устанавливается динамическое ра в-новесие, характеризующееся равенством термоэлектронных токов Ме = /я- откуда [c.455]

Барьерное выпрямление. Определим плотность тока, текущего через контакт металл—полупроводник, при различной полярности внешнего напряжения. Пусть к полупроводнику подключен отрицательный полюс батареи, а к металлу — положительный (прямое подключение). Будем полагать, что все внешнее напряжение падает в приповерхностном слое полупроводника, обладающем высоким сопротивлением. Уровень Ферми (относительно уровня бд) в глубине полупроводника и в металле не изменяется, а в приконтактной области полупроводника смещается на величину еУ, где У — напряжение источника питания. Следовательно, контактная разность потенциалов снижается и становится равной е (У — У) (см. рис. 187, б). В результате снижения потенциального барьера равновесие в системе нарушается и течет ток, направленный из металла в полупроводник, т. е. / = — ] -Со стороны металла высота потенциального барьера не изменилась, поэтому поток электронов из металла тот же, что и в равновесном состоянии, а поэтому [см. выражение (766)] [c.456]

Теория катализа на полупроводниках удовлетворительно объяснила ряд экспериментальных фактов. К ним относится, например, действие добавок (промоторов), изменяющих уровень Ферми катализатора-полупроводника. Если, например, при окислении СО в СО2 [c.473]

При высокой температуре, когда катализ протекает в области собственной проводимости полупроводника, а уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны, наоборот, примеси слабо влияют на скорость каталитических реакций, так как при этом число электронов, вносимых основным катализатором, намного превышает число электронов, вносимых примесью. [c.473]

П аметр Z связан с фундаментальными свойствами полупроводника, такими, как а) приведенный уровень Ферми с = С /кТ (где к - постоянная Больцмана), которым можно управлять, изменяя кон- [c.39]

Отметим важное обстоятельство, связанное с терминологией, принятой в теории металлов и в физике полупроводников. В металлах величина энергии Ферми зависит только от конпентрапии электронов и соответствует максимально возможной энергии занятого электронного состояния (при Г = О энергия Ферми и химический потенпиал совпадают). При конечных температурах химический потенпиал зависит от температуры (соотношение (8.128)), однако, поскольку электронный газ в металлах вырожденный, его конпентрапия фактически не зависит от температуры, что и предопределяет соответствие химический потенпиал примерно равен энергии Ферми (гл. 8). Напротив, в полупроводниках электроны проводимости появляются только при конечных температурах, что отвечает возбужденному состоянию. В результате конпентрапия носителей заряда сильно зависит от температуры, вследствие чего химический потенпиал, который в физике полупроводников обычно также называют уровнем Ферми, есть функпия конпентрапии и температуры. Так, для собственных полупроводников уровень Ферми 1 находится в запрешенной зоне. [c.248]

Для полупроводников Волькенштейн [268] показал, что уровень Ферми входит в качестве слагаемого (со знаком -f или —) в энергию активации реакции, определяя скорость. [c.176]

Вследствие искривления зон уровень Ферми на поверхности полупроводника оказывается сдвинутым по сравнению с положением его в объеме на величину Ае. Такое изменение сопровождается изменением концентрации свободных электронов и дырок и вызывает изменение электропроводности Да (чем больше Ле, тем больше Аа). Изменение работы выхода электрона равно Лф = —Ае (если пренебречь влиянием дипольного момента у нейтральной молекулы). Работа выхода электрона изменяется в зависимости от степени заполнения поверхности адсорбированными молекулами газа. Увеличение работы выхода наблюдается при адсорбции электроноакцепторных, а уменьшение — при адсорбции электроно-донорных молекул на поверхности полупроводника. [c.67]

Мы видим, что уровень Ферми е входит в качестве слагаемого (со знаком или —) в энергию активации реакции, определяя таким образом, при прочих равных условиях, скорость реакции, или, иначе говоря, каталитическую активность полупроводника по отношению к данной реакции. [c.70]

Действительно, электропроводность полупроводника определяется положением уровня Ферми ео внутри кристалла. Чем ближе к зоне проводимости расположен уровень Ферми (т. е. чем больше 8э), тем больше электронная составляющая и тем меньше дырочная составляющая проводимости. [c.74]

В то же время положением уровня Ферми ео определяется, как мы видели, скорость реакции, протекающей на поверхности полупроводника. В этом отношении все реакции могут быть разделены на два класса. К одному классу принадлежат все те реакции, которые протекают тем быстрее, чем выше (при прочих равных условиях) расположен уровень Ферми. Это — реакции, ускоряемые электронами. Мы назовем их акцепторными реакциями. К другому классу принадлежат реакции, скорость которых, наоборот, тем больше, чем ниже расположен уровень Ферми. Мы назовем такие реакции донорными реакциями. Это — реакции, ускоряемые дырками. [c.74]

Рассмотрим еще третье следствие, вытекающее из того факта, что адсорбционная способность полупроводника определяется, при прочих равных условиях, -положением уровня Ферми. Представим себе пластинку полупроводника, помещенную во внешнее однородное поперечное электрическое поле. При этом на одной из поверхностей концентрация электронов окажется повышенной, а концентрация дырок — пониженной, т. е. уровень Ферми окажется сдвинутым вверх. На другой поверхности, наоборот, будет понижена концентрация электронов и повышена концентрация дырок, т. е. уровень Ферми окажется сдвинутым вниз. Иначе говоря, адсорбционная способность одной поверхности должна увеличиться, а другой — уменьшиться, и притом (что можно показать и что весьма существенно) не в одинаковой степени. В результате адсорбционная способность всего образца в целом должна измениться, что могло бы быть обнаружено по изменению давления в адсорбционном объеме. [c.75]

Резюмируем в нескольких фразах содержание теории на данном этапе ее развития. В электронной теории показы-вается, что в образо-ваиии хемосорбционных связей принимают участие свободные злектро-ны и дырки полупроводника (выполняющие функции свободных валентностей), причем от степени их участия в связях зависит, как. показывается, прочность связей, а также реакционная способность хемосорби-ро ванных частиц. Следствием этого, как показывается, является то, что во все формулы электро ной теории попадает уровень Ферми, что в свою очередь имеет ряд следствий, которые и рассматриваются в электронной теории. [c.77]

Можно также показать (этот случай был специально исследован) что для полупроводника р-типа в случае, когда уровень Ферми пересекает валентную зону около поверхности (рис. 6), изотерма имеет вид [c.140]

Хотя уровень Ферми является основным действующим фактором в электронной теории, тем не менее существуют условия, при которых теория принуждена обходиться без пего. Это имеет место во всех тех случаях, когда электронное равновесие в полупроводнике нарушено. При этом само понятие уровня Ферми теряет смысл. [c.72]

Уровень Ферми, по определению, есть химический потенциал электронов в твердом теле. Для металлов в то же время это энергия наиболее высокого электронного уровня, занятого при Г = 0. В случае полупроводников и изоляторов (см. 6) уровень Ферми лежит внутри зоны разрыва, и равенство (VIII.46) определяет значение Е/ неодиазначно. [c.187]

Теперь мы можем понять, как действует переход на границе полупроводник — жидкость. Когда полупроводниковый электрод погружен в содержащий окислительно-восстановительную пару (редокс-пару) раствор, химические потенциалы электрода и раствора должны быть одинаковыми, если не приложена внешняя сила. Тогда зоны в полупроводнике искривляются так, чтобы привести в соответствие уровень Ферми и окислительновосстановительный потенциал (редокс-потенциал). Направление искривления зависит от конкретной системы, но для материалов л- и р-типов искривление обычно происходит в направлении, показанном на рис. 8.19, а и в. Освещение поверхности электрода может приводить к переводу электронов из валентной зоны в зону проводимости. Градиенты поля на границе раздела электрод — жидкость будут способствовать, как и в случае твердотельного полупроводникового перехода, разделению вновь образующихся электронов и дырок. В случае направленного вверх изгиба, как на рис. 8.19, а, электроны движутся в глубь полупроводника, а дырки покидают поверхность раздела и уходят в раствор для окисления редокс-пары. Если затем внешней цепью соединяются полупроводниковый электрод и лротйвоэлектрод, также погруженный в раствор, то электроны будут течь от полупроводникового к противоэлектроду (восстанавливая ионы в растворе вблизи него). Таким образом, полупроводниковый электрод становится фотоанодом (рис. 8.19,6). Вследствие электрохимического потенциала /р, возникающего благодаря вентильному фотоэффекту, потенциал Ферми и редокс-потенциал становятся разделенными барьером 11 . На рис. 8.19, г показана аналогичная энергетическая диаграмма для поглощения света материалом р-типа, из которого электроны уходят в раствор, восстанавливая редокс-пару. В этом случае полупроводниковый электрод является фотокатодом. [c.277]

Электронный газ, подчиняющийся распределению Больцмана (427), называют невырожденным. В невырожденном случае т) = (( 1 — г )1кцТ— 1, откуда р, < — кцТ, т. е. полупроводник является невырожденным, если уровень Ферми лежит ниже зоны проводимости не менее чем на к(,Т. Принимая во внимание (425) и (426) для невырожденного полупроводника, находим [c.244]

С использованием низкоэнергетического возбуждающего источника света и сферического анализатора энергии электронов в задерживающем поле измерены УФ-фотоэлектронные спектры пленок Сьо толщиной 20 нм, напыленных в вакууме на медную подложку при комнатной температуре. Из полученных спектров определены пороговая энергия ионизации 1=6,17 эВ и работа выхода р=4,85 эВ, которая выше, чем в алмазе (4,5) и фафите (4,7 эВ), Получены оценки энергий поляризации катионов и анионов Сьо и элекфонного сродства Сбо в-твердой фазе, которые обсуждены с учетом энергетической релаксации молекул Сбо в конденсированном состоянии. Предложена энергетическая диаграмма твердого Сбо, показывающая, что уровень Ферми расположен вблизи дна зоны проводимости и, следовательно, кристаллический Сбо является полупроводником п-типа. Из физики твердого тела извe тнo что две другие аллотропные формы - графит и алмаз - являются соответственно металлом и диэлектриком. Фазой с металлическими свойствами (металлом) называется фаза, в которой либо не все квантовые состояния валентной зоны заняты электронами, либо последняя перекрывается зоной проводимости. При [c.130]

Рассмотрим природу р—/г-перехода. При легировании полупроводника донорными и акцепторными примесями образуются области с электронной и дырочной проводимостью. Например, при введении в кристалл фосфида галлия примеси серы, замещающей фосфор, образуются донорные уровни, поско.1)ьку у серы на один валентный электрон больше, чем у фосфора. Когда вводится примесь цинка, замещающего галлий, то образуется акцепторный уровош., так как у цинка на один валентный электрон меньше, чем у галлия. Вносимые этими примесями избыточные электроны или дырки (недостающие электроны) при комнатной температуре являются свободными, т. е. переходят с примесных уровней в зону проводимости (электроны) или валентную зону (дырки). Стремление носителей тока к равномерному распределению по кристаллу приводит к тому, что часть электронов переходит на ближайшие акцепторы это обедняет электронами /г-область и дырками р-область. На границе раздела возникает отрицательный заряд со стороны р-области и положительный — со стороны -области (рис. VI. 15). Эти заряды создают поле, препятствующее дальнейшему движению электронов пз п- в р-область. Собственно р—/г-переход находится в том месте обедненного слоя, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны. [c.143]

Таким образом, уровень Ферми выступает как регулятор не только каталитической активности, но и адсорбционной способности поверхности полупроводника. Эта роль уровня Ферми впер1вые была отмечена нами в 1950 г. [12]. Впоследствии этот вопрос рассматривался Буда-ром [13], а в самое последнее время также Хауффе [14]. [c.72]

Эта особенность поверхности с достаточно большой концентрацией поверхностных состояний позволяет рассматривать ее по аналогии с простейшей моделью поверхности адсорбента, изученной в первых рабо тах по статистике хемосорбции на полупроводниках [8, 10, 11] и в которой уровень Р отыскивался из условия нейтральности одной лишь поверхности. Кроме того, эта особенность квазиизолированной поверхности сближает ее с поверхностью очень тонкого полупроводника (с толщиной -С/, где / — длина экранирования), уровень Ферми Р Р,,,в котором, как известно, фиксирован условием нейтральности поверхности [12]. [c.149]

Р=1 тор. Если рассматриваемый полупроводник — электронный, то при Р=0 уровень Ферми на поверхности смещается на AFs=kT при смещении ypoBHHI p на AF р +ЮА Г. При смещении же уровня Ферми в объеме вниз на 20 кТ, 10-5 кТ. [c.152]

Эта концепция дает новые модели и для промежуточных форм катализа (включая и переходные комплексы) и позволяет привлечь к изучению хемосорбции и катализа закономерности больших и хорошо изученных разделов химии комплексных и хелатных соединений и кристаллохимии. Однако механический перенос этих закономерностей на хемосорбцию и гетерогенный 1 атализ был бы такой же крайностью, как использование одних лишь коллективных макроскопических характеристик твердого тела (уровень Ферми, загиб зон, величина электропроводности и т. д.) во многих построениях электронной теории катализа на полупроводниках [27, 28]. Вызывает сомнение реальность универсальных рядов каталитической активности у металлов и сплавов или окислов элементов различной валентности с экстремумами при определенном числе -электронов (например, при одном или пяти -электронах) у атома (иона) комплексообразующего элемента. Это вытекает из следующих соображений а) обычно нет уверенности даже в сохранении поверхностным ионом металла объемного числа -электронов на 1 атом б) даже при правильной оценке валентности и числа -электронов у соответствующего элемента на поверхности данного образца совсем не обязательно считать (как это делают обычно), что экстремальная каталитическая активность появляется при числе -электронов, соответствующем экстремальным значениям энергии ионизации (сродства) или связи лигандов с центральным ионом в) для некоторых окислов прямыми опытами показано, что активные центры образованы ионами металла, имеющими валентность, резко отличающуюся от стехиометрической. Неудивительна поэтому противоречивость результатов последних экспериментальных работ [29], которые не могут служить серьезным подтверждением предсказапий, основанных на аналогии с прочностью комплексов. В частности, можно указать, что один из дауденов-ских максимумов (для №0 и С03О4), по-видимому, обусловлен частичным восстановлением до металлов. [c.25]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология