Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о физике твердого тела. Для схемы управления напряжением в электронике см. Ссылку на напряжение запрещенной зоны .
Эта статья посвящена электронной запрещенной зоне в полупроводниках. Для фотонной запрещенной зоны см Фотонный кристалл .
Показывает, как возникает электронная зонная структура, на гипотетическом примере большого количества атомов углерода, объединяемых в кристалл алмаза. График (справа) показывает уровни энергии как функцию расстояния между атомами. Когда атомы находятся далеко друг от друга (правая часть графика), каждый атом имеет валентные атомные орбитали p и s, которые имеют одинаковую энергию. Однако, когда атомы сближаются, их орбитали начинают перекрываться. Из-за теоремы Блоха, описывающей гибридизацию орбиталей N атомов в кристалле, N атомных орбиталей с одинаковой энергией расщепляются на N молекулярных орбиталей, каждая с разной энергией. Поскольку NПри таком большом количестве соседние орбитали чрезвычайно близки друг к другу по энергии, поэтому орбитали можно рассматривать как непрерывную энергетическую полосу. а - расстояние между атомами в реальном кристалле алмаза. На этом расстоянии орбитали образуют две зоны, называемые валентной зоной и зоной проводимости, с шириной запрещенной зоны 5,5 эВ между ними. При комнатной температуре очень немногие электроны обладают тепловой энергией, чтобы преодолеть эту широкую запрещенную зону и стать электронами проводимости, поэтому алмаз является изолятором. Аналогичная обработка кремния с той же кристаллической структурой дает гораздо меньшую ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, что делает кремний полупроводником.

В физике твердого тела , запрещенной зоны , также называемый энергетический зазор , является диапазон энергий в твердом теле , где нет электронных состояний не может существовать. На графиках электронной зонной структуры твердых тел под шириной запрещенной зоны обычно понимается разность энергий (в электрон-вольтах ) между верхом валентной зоны и низом зоны проводимости в изоляторах и полупроводниках . Это энергия, необходимая для того, чтобы валентный электрон, связанный с атомом, стал электроном проводимости., который может свободно перемещаться внутри кристаллической решетки и служить носителем заряда для проведения электрического тока . Это тесно связано с разрывом HOMO / LUMO в химии. Если валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста, то электроны не могут двигаться в твердом теле; однако, если некоторые электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, тогда может течь ток (см. генерация и рекомбинация носителей ). Следовательно, ширина запрещенной зоны является основным фактором, определяющим электропроводность твердого тела. Вещества с большой шириной запрещенной зоны обычно являются изоляторами , вещества с меньшей шириной запрещенной зоны - полупроводниками , апроводники либо имеют очень малую ширину запрещенной зоны, либо ее нет, потому что валентная зона и зона проводимости перекрываются.

В физике полупроводников [ править ]

Полупроводниковая зонная структура .

Каждое твердое тело имеет свою характерную зонную структуру . Такое изменение зонной структуры отвечает за широкий диапазон электрических характеристик, наблюдаемых в различных материалах. В полупроводниках и изоляторах электроны удерживаются в нескольких зонах.энергии и запрещено из других регионов. Термин «запрещенная зона» относится к разнице энергий между верхом валентной зоны и низом зоны проводимости. Электроны могут переходить с одной полосы на другую. Однако для того, чтобы электрон перескочил из валентной зоны в зону проводимости, требуется определенное минимальное количество энергии для перехода. Требуемая энергия различается для разных материалов. Электроны могут набрать достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости, поглощая фонон (тепло) или фотон (свет).

Полупроводника представляет собой материал с промежуточным размером , но не нулевой шириной запрещенной зоны , которая ведет себя как изолятор при абсолютном нуле , но позволяет тепловое возбуждению электронов в его зону проводимости при температурах, которые ниже его точки плавления. Напротив, материал с большой шириной запрещенной зоны является изолятором . В проводниках валентная зона и зона проводимости могут перекрываться, поэтому у них может не быть запрещенной зоны.

Проводимости из собственных полупроводников сильно зависит от ширины запрещенной зоны. Единственными доступными носителями заряда для проводимости являются электроны, обладающие достаточной тепловой энергией для возбуждения через запрещенную зону, и электронные дырки , которые остаются после такого возбуждения.

Разработка ширины запрещенной зоны - это процесс управления или изменения ширины запрещенной зоны материала путем управления составом определенных полупроводниковых сплавов , таких как GaAlAs, InGaAs и InAlAs. Также возможно создавать слоистые материалы с чередующимся составом с помощью таких методов, как молекулярно-лучевая эпитаксия . Эти методы используются при разработке биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT), лазерных диодов и солнечных элементов .

Различие между полупроводниками и изоляторами является условным. Один из подходов - рассматривать полупроводники как тип изолятора с узкой запрещенной зоной. Изоляторы с большей шириной запрещенной зоны, обычно превышающей 4 эВ [1] , не считаются полупроводниками и обычно не проявляют полупроводниковых свойств в практических условиях. Подвижность электронов также играет роль в определении неформальной классификации материала.

Энергия запрещенной зоны полупроводников имеет тенденцию к уменьшению с повышением температуры. Когда температура увеличивается, амплитуда атомных колебаний увеличивается, что приводит к увеличению межатомного расстояния. Взаимодействие между фононами решетки и свободными электронами и дырками также в меньшей степени влияет на ширину запрещенной зоны. [2] Отношение между зонной энергетической щелью и температурой может быть описано Varshni эмпирического выражением «s (имя YP Varshni ),

, где E g (0), α и β - материальные постоянные. [3]

В обычном кристалле полупроводника запрещенная зона фиксируется за счет непрерывных энергетических состояний. В кристалле с квантовыми точками ширина запрещенной зоны зависит от размера и может быть изменена для получения диапазона энергий между валентной зоной и зоной проводимости. [4] Это также известно как эффект квантового ограничения .

Ширина запрещенной зоны также зависит от давления. Ширина запрещенной зоны может быть прямой или косвенной , в зависимости от электронной зонной структуры .

Прямая и непрямая запрещенная зона [ править ]

Основная статья: Прямая и косвенная запрещенная зона

В зависимости от зонной структуры материалы имеют либо прямую, либо непрямую запрещенную зону. Если импульс состояния с наименьшей энергией в зоне проводимости и состояния с наивысшей энергией валентной зоны материала одинаков, материал имеет прямую запрещенную зону. Если они не совпадают, значит, материал имеет непрямую запрещенную зону. Для материалов с прямой запрещенной зоной валентные электроны могут быть напрямую возбуждены в зону проводимости фотоном, энергия которого больше ширины запрещенной зоны. Напротив, для материалов с непрямой запрещенной зоной фотон и фононоба должны участвовать в переходе от вершины валентной зоны к основанию зоны проводимости. Следовательно, материалы с прямой запрещенной зоной имеют тенденцию к более сильному излучению и поглощению света. При прочих равных, материалы с прямой запрещенной зоной обычно лучше подходят для фотоэлектрических (ФЭ), светодиодов (LED) и лазерных диодов ; однако материалы с непрямой запрещенной зоной часто используются в фотоэлектрических элементах и ​​светодиодах, когда материалы имеют другие благоприятные свойства.

Светодиоды и лазерные диоды [ править ]

Основная статья: Светоизлучающий диод

Светодиоды и лазерные диоды обычно излучают фотоны с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны полупроводникового материала, из которой они сделаны, и немного превышающей ее. Следовательно, по мере увеличения энергии запрещенной зоны цвет светодиода или лазера меняется с инфракрасного на красный, через радугу на фиолетовый, а затем на УФ. [5]

Фотоэлектрические элементы [ править ]

Основная статья: Солнечная батарея
Предел Шок-Queisser дает максимально возможную эффективность работы одного соединения солнечного элемента под унами-концентрированные солнечного света, в зависимости от зазора зоны полупроводника. Если ширина запрещенной зоны слишком велика, большинство фотонов дневного света не могут быть поглощены; если он слишком низкий, то большинство фотонов имеют гораздо больше энергии, чем необходимо для возбуждения электронов через запрещенную зону, а остальная часть тратится впустую. Полупроводники, обычно используемые в коммерческих солнечных элементах, имеют запрещенную зону около пика этой кривой, например кремний (1,1 эВ) или CdTe (1,5 эВ). Предел Шокли – Кейссера был превышен экспериментально путем комбинирования материалов с различной шириной запрещенной зоны для создания тандемных солнечных элементов .

Оптическая ширина запрещенной зоны (см. Ниже) определяет, какую часть солнечного спектра поглощает фотоэлектрический элемент . [6] Полупроводник не будет поглощать фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны; а энергия пары электрон-дырка, созданная фотоном, равна энергии запрещенной зоны. Люминесцентный преобразователь солнечной энергии использует люминесцентную среду для преобразования с понижением частоты фотонов с энергиями выше запрещенной зоны в энергии фотонов, близкие к запрещенной зоне полупроводника, составляющего солнечный элемент. [7]

Список зазоров [ править ]

Ниже приведены значения ширины запрещенной зоны для некоторых выбранных материалов. Полный список запрещенных зон в полупроводниках см. В разделе « Список полупроводниковых материалов» .

ГруппаМатериалСимволШирина запрещенной зоны ( эВ ) при 302 KСсылка
III-VНитрид алюминияAlN6.0[8]
IVАлмазC5.5[9]
IVКремнийSi1.14[10]
IVГерманийGe0,67[10]
III – VНитрид галлияGaN3,4[10]
III – VФосфид галлияЗазор2,26[10]
III – VАрсенид галлияGaAs1,43[10]
IV – VНитрид кремнияSi 3 N 45
IV – VIСульфид свинца (II)PbS0,37[10]
IV – VIДиоксид кремнияSiO 29[11]
Оксид медиCu 2 O2.1[12]

Оптическая и электронная запрещенная зона [ править ]

В материалах с большой энергией связи экситона фотону может едва хватить энергии для создания экситона (связанной пары электрон-дырка), но недостаточно энергии, чтобы разделить электрон и дырку (которые электрически притягиваются к каждой из них). Другой). В этой ситуации существует различие между «оптической запрещенной зоной» и «электрической запрещенной зоной» (или «транспортной щелью»). Оптическая запрещенная зона - это порог поглощения фотонов, а транспортная щель - это порог для создания пары электрон-дырка, которая не связана вместе. Оптическая запрещенная зона имеет меньшую энергию, чем транспортная.

Почти во всех неорганических полупроводниках, таких как кремний, арсенид галлия и т. Д., Существует очень слабое взаимодействие между электронами и дырками (очень малая энергия связи экситона), и поэтому оптическая и электронная запрещенная зона практически идентична, и различие между ними игнорируется. Однако в некоторых системах, включая органические полупроводники и однослойные углеродные нанотрубки , различие может быть значительным.

Запрещенные зоны для других квазичастиц [ править ]

В фотонике запрещенные зоны или стоп-зоны - это диапазоны частот фотонов, в которых, если пренебречь эффектами туннелирования, никакие фотоны не могут проходить через материал. Материал, демонстрирующий такое поведение, известен как фотонный кристалл . Концепция сверходнородности [13] расширила диапазон материалов с фотонной запрещенной зоной за пределы фотонных кристаллов. Применяя технику в суперсимметричной квантовой механике , был предложен новый класс оптических неупорядоченных материалов [14], которые поддерживают запрещенные зоны, полностью эквивалентные таковым в кристаллах или квазикристаллах .

Аналогичная физика применима к фононам в фононном кристалле . [15]

Материалы [ править ]

  • Арсенид галлия алюминия
  • Нитрид бора
  • Арсенид галлия индия
  • Арсенид индия
  • Арсенид галлия
  • Нитрид галлия
  • Германий
  • Металлический водород

Список тем по электронике [ править ]

  • Электроника
  • бандгап
  • Физика конденсированного состояния
  • Прямая и косвенная запрещенная зона
  • Электрическая проводимость
  • Электронная дыра
  • Полевой транзистор
  • Светодиод
  • Фотодиод
  • Фоторезистор
  • Фотогальваника
  • Солнечная батарея
  • Физика твердого тела
  • Полупроводник
  • Полупроводниковые приборы
  • Сильно коррелированный материал
  • Группа валентности

См. Также [ править ]

  • Полупроводники с широкой запрещенной зоной
  • Гибка ленты
  • Спектральная плотность
  • Псевдощель
  • Тауц сюжет
  • Эффект Мосса – Бурштейна

Ссылки [ править ]

  1. ^ Баба, V.Suresh (2010). Твердотельные устройства и технологии, 3-е издание . Писон.
  2. ^ Ünlü, Hilmi (сентябрь 1992). «Термодинамическая модель для определения влияния давления и температуры на ширину запрещенной зоны и другие свойства некоторых полупроводников». Твердотельная электроника . 35 (9): 1343–1352. Bibcode : 1992SSEle..35.1343U . DOI : 10.1016 / 0038-1101 (92) 90170-H .
  3. ^ Varshni, YP (январь 1967). «Температурная зависимость запрещенной зоны в полупроводниках». Physica . 34 (1): 149–154. Bibcode : 1967Phy .... 34..149V . DOI : 10.1016 / 0031-8914 (67) 90062-6 .
  4. ^ «Evident Technologies». Архивировано 6 февраля 2009 г. в Wayback Machine . Evidenttech.com. Проверено 3 апреля 2013.
  5. ^ Дин, KJ (август 1984). "Волны и поля в оптоэлектронике: серия Прентис-Холла в твердотельной физической электронике". Вестник физики . 35 (8): 339. DOI : 10,1088 / 0031-9112 / 35/8/023 .
  6. ^ Наноразмерный материальный дизайн . Nrel.gov. Проверено 3 апреля 2013.
  7. ^ Нанокристаллических Люминесцентные солнечные преобразователи , 2004
  8. ^ Фенеберг, Мартин; Лют, Роберт А.Р ​​.; Нойшль, Бенджамин; Тонке, Клаус; Бикерманн, Маттиас (16 августа 2010 г.). «Спектры фотолюминесценции высокого возбуждения и высокого разрешения объемного AlN». Physical Review B . 82 (7): 075208. Bibcode : 2010PhRvB..82g5208F . DOI : 10.1103 / PhysRevB.82.075208 .
  9. ^ Киттель, Чарльз . Введение в физику твердого тела , 7-е издание . Вайли.
  10. ^ a b c d e f Streetman, Ben G .; Санджай Банерджи (2000). Твердотельные электронные устройства (5-е изд.). Нью-Джерси : Прентис-Холл . п. 524. ISBN 0-13-025538-6.
  11. ^ Велла, E .; Мессина, Ф .; Cannas, M .; Боскаино, Р. (2011). «Раскрытие динамики экситонов в аморфном диоксиде кремния: интерпретация оптических характеристик от 8 до 11 эВ» . Physical Review B . 83 (17): 174201. Bibcode : 2011PhRvB..83q4201V . DOI : 10.1103 / PhysRevB.83.174201 .
  12. ^ Баумейстер, PW (1961). «Оптическое поглощение оксида меди». Физический обзор . 121 (2): 359. Bibcode : 1961PhRv..121..359B . DOI : 10.1103 / PhysRev.121.359 .
  13. ^ Xie, R .; Long, GG; Weigand, SJ; Мосс, Южная Каролина; Carvalho, T .; Roorda, S .; Hejna, M .; Torquato, S .; Стейнхардт, П.Дж. (29 июля 2013 г.). «Гипероднородность в аморфном кремнии на основе измерения бесконечно длинноволнового предела структурного фактора» . Труды Национальной академии наук . 110 (33): 13250–13254. Bibcode : 2013PNAS..11013250X . DOI : 10.1073 / pnas.1220106110 . PMC 3746861 . PMID 23898166 .  
  14. ^ Ю, Sunkyu; Пяо, Сяньцзи; Хонг, Джихо; Парк, Намкё (16 сентября 2015 г.). «Блоховские волны в потенциалах случайного блуждания на основе суперсимметрии» . Nature Communications . 6 (1): 8269. arXiv : 1501.02591 . Bibcode : 2015NatCo ... 6E8269Y . DOI : 10.1038 / ncomms9269 . PMC 4595658 . PMID 26373616 .  
  15. ^ Эйхенфилд, Мэтт; Чан, Джаспер; Камачо, Райан М .; Вахала, Керри Дж .; Художник, Оскар (2009). «Оптомеханические кристаллы». Природа . 462 (7269): 78–82. arXiv : 0906.1236 . Bibcode : 2009Natur.462 ... 78E . DOI : 10,1038 / природа08524 . ISSN 0028-0836 . PMID 19838165 . S2CID 4404647 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Калькулятор энергии прямой запрещенной зоны
  • Мориарти, Филипп. «Energy Gap (а что делает стекло прозрачным?)» . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .