Полупроводники, энергетическая щел

Рис. 33.1. Схема расположения энергетических зон в изоляторе, полупроводнике и металлическом проводнике о — валентная зона, б — зона проводимости.

Рис. 54. Энергетические зоны в примесных полупроводниках л- и р-типа.

Различают две основные группы проводников электрического тока проводники первого рода, электрическая проводимость которых обусловлена электронами, и проводники второго рода, обладающие ионной проводимостью. В особую группу входят полупроводники, прохождение тока через которые обеспечивают, с одной стороны, возбужденные электроны, а с другой — так называемые дырки — вакантные места на энергетических уровнях, которые покинуты возбужденными электронами. Главную роль в электрохимии играют ионные проводники — растворы и расплавы электролитов, некоторые вещества в твердом состоянии, ионизированные газы. При протекании постоянного электрического тока через электрохимические системы на электродах возникают электрохимические реакции, которые подчиняются двум законам Фарадея [c.455]

В полупроводниках, так же как и в изоляторах, вся валентная зона заполнена электронами, однако зона проводимости отделена от нее лишь небольшим энергетическим барьером, составляющим [c.136]

ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

Число и природа носителей т(жа в полупроводниках в большей степени зависят от их чистоты и характера примесей. Примеси принято делить на донорные и акцепторные, т, е. на отдающие и присоединяющие электроны. Донорные примеси увеличивают число электронов, а акцепторные — число дырок. Этот эффект примесей можно пояснить на примере германия, у которого имеется четыре валентных электрона. Если атом германия в его решетке заменить пятивалентным атомом мышьяка, то один электрон окажется лишним. Для его участия в проводимости необходимо, чтобы энергетический уровень атома примеси был расположен в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости (непосредственно у ее нижнего края). Тогда каждый атом примеси будет ионизирован и электроны перейдут в зону проводимости. Число отрицательных носителей тока в полупроводнике с донорной примесью больше, чем число положительных носителей тем ие менее уравнение (5.45) остается справедливым, подобно тому как ионное произведение воды не изменяется при добавлении щелочи. Предположим, что один атом донорной примеси приходится ьа 10 атомов полупроводника. Считая все атомы примеси (иaпp iмep, мышьяка) полностью ионизированными, найдем, что в 1 см германия находится 4,5-10 при- [c.138]

Рис. 53. Энергетические зоны в металле, изоляторе и полупроводнике.

Металлическая проводимость возникает при наличии частично занятых электронами энергетических зон, в пределах которых электроны обладают высокой подвижностью. В непроводящих веществах (изоляторах) имеются полностью заполненные энергетические зоны, отделенные от свободных энергетических зон широкой запрещенной зоной (рис. А.26). У полупроводников ширина запрещенной зоны мала, так что уже при подводе тепловой энергии электроны могут переходить в более высоколежащие зоны. Поэтому в противоположность веществам с металлической проводимостью у полупроводников повышение температуры вызывает увеличение электропроводности. Тот же эффект может наблюдаться при воздействии световой энергии. Это объясняет фотопроводимость у селена. [c.360]

Характерная для металлов способность хорошо проводить электрический ток путем перемещения электронов, наблюдаемая уже при обычных (не очень больших) разностях потенциалов, возможна только при условии,, что перемещение электронов не требует преодоления значительных энергетических барьеров. Это достигается лишь при перемещении электрона в пределах одной данной зоны. Такое перемещение возможно, когда в данной зоне имеются вакантные уровни, т. е. когда число электронов в ней меньше, чем допускаемое принципом Паули ( 9). Именно такие частично заполненные зоны являются в металлах зонами проводимости, а зоны, не содержащие вакантных уровней валентные зоны) не участвуют в этом процессе. (О возможном переходе электронов в выше расположенные пустые зоны см. при обсуждении свойств полупроводников, 55.) [c.137]

Примесные полупроводники п-типа (рис. А.62,5). При внесении в собственный полупроводник посторонних атомов, способных быть донорами электронов, возникающие примесные энергетические термы находятся вблизи зоны проводимости L. Переход электронов в зону проводимости L требует лишь незначительных затрат энергии. [c.142]

Полуметаллы. В отличие от полупроводников энергетические зоны полуметаллов слегка перекрываются (рис. 40) Область вблизи дна второй энергетической зоны, например вблизи точки А, может оказаться ниже потолка первой зоны. Поэтому электроны как бы перелива- [c.165]

Мы кратко рассмотрели принцип действия р—п-перехода в гомогенном по составу полупроводнике. Дальнейшие исследования [20, с. 61 ] показали, что многие свойства полупроводниковых приборов можно улучшить, используя так называемые гетеропереходы — контакты двух различных по химическому составу полупроводников. Энергетическая зонная модель и инжекционные свойства гетероперехода, а также область применения его определяются опять же условиями изготовления. Успехи в этой области связаны прежде всего с успехами физико-химии и технологии эпитаксиального выращивания кристаллов. Среди большого числа различных методов эпитаксиального роста полупроводниковых кристаллов широкое распространение получил метод жидкостной эпитаксии [21 ]. Он стал основным при изготовлении многих важных полупроводниковых приборов [20, с. 61 и 92]. [c.464]

Полупроводниковые лазеры. В полупроводниковых лазерах для генерации излучения используются квантовые переходы между зоной проводимости и валентной зоной в полупроводниках. Энергетическая ширина запрещённой зоны в полупроводниках различных типов может изменяться от АЕ зз [c.425]

Из рис. I. 12 и 1.13 видно, что в области пространственного заряда в полупроводнике энергетические зоны изгибаются, что соответствует изменениям в концентрации носителей на поверхности в сравнении с объемом. Для того, чтобы определить направление и величину изгиба, необходимо знать потенциал электрода, при котором этого изгиба не происходит, так называемый потенциал плоских зон 5. По смыслу Ез соответствует потенциалу нулевого заряда для границы металл — раствор, в этом случае граничная емкость должна быть минимальна, что используют для экспериментального определения Для растворов с высокими значениями Еп поверхность полупроводника обогащается дырками в валентной зоне (изгиб зон вверх на рис. I. 12 и 1.13), а в растворах с н < — электронами (изгиб зон вниз). Наиболее отчетливо зависимость скорости электронного обмена от н системы, приведенной в контакт с полупроводником, проявляется в случае широкой запрещенной зоны, так как тогда обмен электронами возможен либо лишь с одной из энергетических зон электрода, либо, как это показано на рис. I. 13, в, обмен вовсе будет отсутствовать. [c.66]

В зависимости от структуры атомов и симметрии кристаллической решетки валентная зона и зона проводимости могут перекрывать рис. 75, б) пли не перекрывать друг друга (рис. 75, а). В последнем лучае между зонами имеется энергетический разрыв, именуемый запрещенной зоной. В соответствии с характером расположения и заполнения зон вещества являются диэлектриками изоляторами), полупроводниками и проводниками (металлами). Ширина запрещенной зоны Af диэлектриков составляет более 3 эВ, полупроводников — от 0,1 до 3 эВ. В металлических кристаллах вследствие перекрывания зон запрещенная зона отсутствует. [c.116]

Если электропроводность объясняется перезарядкой ионов, зонная теория полупроводников, по-видимому, в простейшем виде неприменима не происходит полного вырождения уровней валентных электронов в отдельных ионах, а сохраняется периодичность в энергетическом спектре валентных электронов кристалла. Катионы решетки находятся в потенциальной яме, так что переход электрона от катиона к катиону требует энергии активации, а длина свободного пробега электрона соответствует междуатомным расстояниям в кристаллической решетке. В таком случае энергия активации определяется не только параметрами атома, образующего катион (т. е. в конечном счете его положением в таблице Менделеева), но и межатомными расстояниями в кристалле, что указывает на значение геометрических параметров кристалла в отношении его каталитической активности. [c.29]

Проводимость может быть вызвана также введением в полупроводник таких примесей, энергетические уровни которых располагаются между валентной зоной и зоной проводимости (т. е. в [c.149]

В окислительно-восстановительных реакциях важная роль принадлежит некоторым катализаторам, являющимся полупроводниками ( 55 ), причем между их каталитическим действием и электронно-физическими свойствами (энергетическими уровнями и работой выхода электрона) существует связь. Так, С. Я. Пшежецкий и И. А. Мясников показали, что существует отчетливая связь между электропроводностью окиси цинка и ее каталитической активностью в реакции дегидрогенизации изопропилового спирта с образованием ацетона. Это наблюдается и между каталитической активностью и температурой, и при сопоставлении результатов, полученных в атмосфере чистого азота, с результатами, получаемыми при добавлении к азоту 0,4% кислорода, сильно снижающего и электропроводность, и каталитическую активность окиси цинка в данном процессе. [c.498]

Металлическое состояние вещества характеризуется наличием электронного газа, т. е. совокупности электронов, обобществленных совокупностью атомных остовов и способных перемещаться в пространстве между ядрами без значительных энергетических затрат. В этом случае наблюдается высокая электрическая проводимость, уменьшающаяся с повышением температуры. В противоположность металлическому состоянию вещества в изолирующем (диэлектрическом) или полупроводниковом состоянии имеют сравнительно низкую электрическую проводимость, увеличивающуюся с повышением температуры. Физически изоляторы и полупроводники качественно не различаются, отлична лишь энергия, требуемая для возбуждения связанного валентного электрона в проводящее состояние. [c.95]

При написании книги автор исходил из опыта преподавания основ химической термодинамики студентам специальностей Диэлектрики и полупроводники и Технология воды и топлива на электростанциях Московского энергетического института. [c.7]

Зонная структура энергетического спектра, как мы видели выше, отражает ту особенность природы атомных кристаллов (металлов, полупроводников и изоляторов), что в них существует непрерывный трехмерный каркас межатомных связей и свойственное кристаллическому веществу периодическое поле. Электронный энергетический спектр молекулярных кристаллов, построенных из отдельных нульмерных молекул, соединенных ван-дер-ваальсовскими связями, не имеет обычной зонной структуры, а представляет собой совокупность до некоторой степени искаженных в результате слабого обменного взаимодействия молекул молекулярных энергетических спектров, состоящих из дискретных энергетических уровней. Кристаллы цепочечной, сетчатой и каркасной структуры, в том числе разнообразные соединения включения, мы рассматриваем как разновидности молекулярных кристаллов, построенных, соответственно, из одно-, двух- и трехмерных молекул или из их комбинаций. Их энергетические спект- [c.118]

Полупроводники. Как мы видели, в полупроводниках для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется сравнительно небольшая энергия. При этом в результате поглощения кванта энергии (нагревание или освещение) связь, обусловливаемая парой электронов, разрывается один из электронов переходит в зону проводимости, и в данном энергетическом состоянии валентной зоны вместо двух электронов остается один, т. е. образуется вакансия — так называемая положительно заряженная дырка [c.150]

Зонная теорий ( 50) показывает, что изоляторы и полупроводники в отличие от металлов не содержат частично заполненных энергетических зон. В изоляторах и полупроводниках (при отсутствии теплового или другого возбуждения) зоны, следующие за валентными (заполненными) зонами, являются пустыми, т. е. не. содержат электронов. Проводимость может возникнуть в них только в результате частичного перехода электронов из валентной зоны в ближайшую пустую зону. Возможность и вероятность такого перехода зависит прежде всего от того, насколько эта зона находится выше (по энергетическому уровню), чем валентная зона, т. е. какова затрата энергии, необходимая для такого перехода. Энергетический интервал между этими зонами называют запрещенной зоной, так как в этом интёрвале энергии электроны не могут находиться. Количество энергии, необходимой для указанного перехода, называют обычно шириной запрещенной зоны и выражают в электрон-вольтах. [c.148]

Примесные полупроводники р-типа (рис. А.62, е). Внесение примесных атомов, способных быть акцепторами электронов, приводит к тому, что примесные энергетические термы находятся несколько выше валентной зоны О. Вследствие переноса электронов из валентной зоны на уровни атомов-акцепторов в валентной зоне становится возможной дырочная проводимость . (Комбинации германиевых и кремниевых полупроводников с р- и л-проводимостью применяются в транзисторах.) [c.143]

Так как свойства вещества — механические, электрические, оптические, химические — определяются энергетическим состоянием валентных электронов, то в первую очередь нас интересует соответствующий участок энергетического спектра. Параметры последнего — значения ширины валентной, запрещенной зон, зоны проводимости и положение различных локализованных уровней — могут быть определены путем изучения оптических спектров, электропроводности и других свойств твердого вещества (см. гл. IX). Зная эти параметры, можно решать обратную задачу определять по ним неизвестные нам свойства вещества. Не случайно общепринятое деление твердых веществ на изоляторы, проводники, полуметаллы и металлы основывается на значениях ширины запрещенной зоны. Возьмем, например, ряд простых веществ алмаз, кремний, германий, олово, свинец. Каждое из этих вещёств по-своему замечательно и каждое используется как незаменимый материал, но в совершенно различных областях техники, а кремний и германии находят применение в полупроводниковой технике. Природа данных веществ изменяется скачками, как атомные номера соответствующих элементов. Скачками изменяется и ширина запрещенной зоны при переходе от одного аналога к другому. Для алмаза эта величина составляет 5,6 эВ. Это — изолятор, самое твердое из веществ. Для кремния она равна 1,21 эВ. Такой энергетический барьер уже много доступнее для валентных элек- тронов отсюда полупроводниковые свойства данного вещества. Ширина запрещенной зоны германия 0,78 эВ — он полупроводник с высокой подвижностью носителей тока — электронов и дырок. Наконец, серое олово по ширине запрещенной зоны, равной всего 0,08 эВ, занимает последнее место в данном ряду и относится скорее к металлам, чем к полупроводникам, а белое олово — настоящий металл. Так с изменением ширины запрещенной зоны закономерно изменяется природа твердого вещества. [c.105]

При О °К электроны в кристалле находятся на различных энергетических уровнях, образуя несколько энергетических зон, которые именуются валентной зоной. Эта зона полностью заполнена электронами до некоторого уровня с максимальной энергией, называемой энергией Ферми /(0). Выше валентной зоны у полупроводников имеется запрещенная зона уровней энергии, которая не может быть занята электронами (рис. 105). Еще выше располагается зона проводимости, в ней при О °К электронов нет. [c.173]

Металлы, диэлектрики и полупроводники различаются положением зон электронных энергетических уровней. У металлов валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому не требуется [c.174]

Электропроводимость кристалла зависит от разности энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, или, как говорят, от ширины запрещенной зоны. У полупроводников с неширокой запрещенной зоной перевод электронов в зону проводимости может происходить при освещении (явление фотопроводимости). Запрещенная зона у кремния составляет А =1,1 эВ. Кремний освещается светом с у = 5-10 с (желтый свет). Возникнет ли проводимость [c.69]

В полупроводниках валентная зона и зона проводимости не перекрываются и между ними существует запрещенная зона шириной порядка 1 эВ. Кроме того, заряд полупроводниковой фазы сосредоточен не на поверхности, как у металлов, а распределен в некотором поверхностном слое. В результате этого в полупроводниковой фазе возникает скачок потенциала (< ) (см. рис. 79), приводящий к искривлению энергетических зон вблизи поверхности электрода. Таким образом, в отличие от модели металла-ящика (см. рис. 153) для полупроводникового электрода энергетические уровни можно представить схемой, приведенной на рис. 161. [c.292]

При высоких температурах это соотношение выполняется, при низких большую роль по сравнению с собственной играет так называемая примесная электропроводность. Атом примеси может отдавать свой электрон (быть донором). Если энергетический уровень электрона примеси окажется вблизи от верхней зоны, то электрон может от примеси перейти в верхнюю зону и превратиться в электрон проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками /г-типа, или электронными. [c.518]

Заметим, что из сказанного выше следует зависимость энергии системы от ширины запрещенной зоны. Именно с увеличением ширины запрещенной зоны энергия системы электронов увеличивается, а энергия связи атома с кристаллом падает. При одних и тех же эффективных массах носителей тока адсорбция на полупроводнике энергетически выгоднее адсорбции на изоляторе. С увеличением ширины запрещенной зоны вес экситонной связи в гибридной связи падает, так что при достаточно широкой запрещенной зоне гибридная связь практически эквивалентна одноэлектранной связи по Ф. Ф. Волькенштейну [1]. [c.136]

Вещества, в которых при Т = 0°К верхняя из за-голненных электронами энергетических зон (валентная зона) и нижняя из незаполненных электронами энергетических зон (зона проводимости) не перекрываются, являются полупроводниками или диэлектриками. Граница между ними весьма условна — в полупроводниках энергетический зазор между зоной проводимости и валентной зоной не очень велик, что приводит к появлению в зонах заметного числа свободных носителей заряда при Т > 0 К. [c.341]

Электронная структура полупроводника отличается от структуры металла. В полупроводниках энергетические уровни внешних электронов атомов образуют почти полностью заполненную валентную зону (рис. 4). Выше этой зоны располагается зона проводимости, в которой почти нет электронов. Между этими двумя зонами в полупроводнике нет энергетических уровней, которые могли бы занимать электроны, т. е. расположена так называемая запрещенная зона . При достаточно больших тепловых колебаниях электроны из валентной зоны могут перепрыгивать в зону проводимости и участвовать в переносе электрического заряда. По мере увеличения температуры все больше электронов достигают зоны проводимости, поэтому с увеличением температуры электро-проводрюсть полупроводника увеличивается. Электрон, перепрыгивающий из валентной зоны, В1юснт в зону проводимости отрицательный заряд. Согласно закону сохранения заряда, при образовании заряда определенного знака одновременно должен появиться заряд противоположного знака. Таким образом, электрон оставляет в валентной зоне вакантное место — дырку или вакансию — с противоположным зарядом. С химической точки зрения это означает, что от атома германия отделяется электрон, который может свободно передвигаться по кристаллической решетке, в то время как образовав- [c.18]

Действие давления на зонную структуру хорошо известно и сводится к увеличению перекрывания волновых функций материала. Для некоторых полупроводников энергетическая щель уменьщается с увеличением давления и может схлопнуться. При таких критических давлениях материал переходит из полупроводникового в металлическое состояние. В частности, для магнетита известна величина щели для низкотемпературной фазы полупроводника — Ед = 2 эВ, причем при Ту больше 200 К (переход Вервея) происходит переход в металлическую фазу. Действие давления приводит к уменьшению Ту и при давлении 5 ГПа щель схлопывается, = О и материал становится проводником при всех температурах. Изоструктурная магнетиту фаза 7Ре20з обладает Ед = 2,1 эВ и если предположить одинаковую с магнетитом зависимость щели от давления, то сжатие за счет поверхностного натяжения должно приводить к ее уменьшению на 0,15 эВ, что находится в согласии с данными по оптическому красному сдвигу . [c.494]

Как известно, при сближении атомов, т. е. при образовании кристаллической решетки металла или полупроводника, энергетические уровни расш,еп- [c.439]

Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

Прп значительном числе пов( рхностных состояний — энергетических электроппык уровней, в( зникающнх па поверхносги полупроводника и результате контакта с раствором и адсорбции на ией различных частнц — большая часть падения потенциала полупроводник — раствор будет локализована в растворе, в гельмгольцев-ском слое, и вместо (17.145) можно напнсать [c.380]

Большинство катализаторов гидрокрекинга—полупроводники. В отличие от металлов (проводники), для которых переход электронов из валентной зоны в зону проводимости осуществляется легко, без преодоления энергетического барьера, в полупроводниках этот переход требует преодоления энергетического барьера, так называемой энергии акт1шации электропроводности Это объясняется те.м, что в металле атомы — нейтральг ые частицы, и электроны обобществлены. В окислах или сульфидах находятся ионы металлов, и для отрыва электронов требуется затрата энергии. По-этo iy окислы металлов (кроме окислов-изоляторов) начинают проводить ток только после нагревания. В любом окисле или сульфиде всегда сл ществуют пpи [e и пли нарушение стехнометрического состава (избыток. металла или избыток металлоида). [c.145]

Повышенная электрическая проводимость органических полупроводников объясняется высокой подвижностью я-электро-нов сопряженных двойных связей. Это обусловливает эстафетную электронно-дырочную проводимость при состоянии, когда электроны находятся в них на более высоких энергетических уровнях. В результате взаимодействия с поверхностью, ограничивающей объем, электрон мол<ет оторваться от молекулы л попасть на поверхность. При этом в молекуле возникает вакансия— дырка. Эффективная масса электронов и дырок много меньше массы молекулы, так что у соседней молекулы, которая не успевает заметно сместиться, один из электронов. может перескочить в образовавшуюся дырку. Одновременно мигрируют как положительные, так и отрицательные заряды. Электрическая проводимость по эстафетному механизму возникает за счет электронных донорно-акцеиторных взаимодействий между молекулами и на границе масляной фазы с поверхностью металла. В отличие от ионной или форетической проводимости при эстафетной электрической проводимости не происходит переноса вещества, а значит, последняя не долл<на зависеть от вязкости среды. [c.61]

Люминофорами называют вещества, которые обладают способностью под действием внешних факторов (а- и Р-частиц, света, электрического тока и др.) светиться — люминесцировать. К ним относятся соединения ряда d-элементов, в частности их сульфиды. Сущность явления состоит в возбуждении электронов люминесци-рующего вещества под действием постороннего энергетического воздействия и последующем их возврате на низкие энергетические уровни, сопровождающемся излучением света. Люминесцентные свойства увеличиваются при добавлении активаторов. Люминофоры применяют для изготовления светящихся красок, покрытия экранов для рентгеновских лучей, телевизоров и др. Все люминофоры являются полупроводниками. [c.202]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология