Локальные энергетические уровни

Cтраница 3

На свойства полупроводников в значительной степени могут оказывать влияние атомы постороннего вещества, находящиеся в кристаллической решетке. В этом случае валентные электроны примесных атомов могут иметь локальные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника и в зависимости от того, заняты эти уровни электронами или являются свободными. [31]

Примесные носители создаются в кристалле полупроводника не только чужеродными атомами, но и собственными атомами в том случае, если они оказываются в междоузлии. Так, переход атома Si в междоузлие вызывает образование двух локальных энергетических уровней: атом в междоузлии действует как донор, а пустой узел - как акцептор. [32]

Рекомбинация электронно-дырочной пары. / - равновесный свободный электрон, 2 - избыточный свободный электрон, 3 - зона проводимости, 4 - донорный уровень, 5 - валентная зона. [33]

Уменьшение начальной концентрации избыточных носителей заряда Апнач ( после отключения источника их генерации, например облучения) происходит по экспоненциальному закону: An ( t) Дл, ехр ( - f / r), т.е. за интервал времени г концентрация избыточных носителей уменьшается в е 2 718 раз. Некоторые примеси ( золото, платина, медь и др.) создают локальные энергетические уровни в середине запрещенной зоны, называемые ловушками ( рис. 7, б), значительно ускоряющие процесс рекомбинации и уменьшающие время жизни. Легирование золотом используют для уменьшения времени жизни в кремнии. [34]

Примесные дефекты, так же как и собственные, могут в результате присоединения или отдачи электрона переходить в ионизированное состояние. Другими словами, они могут действовать как доноры или как акцепторы электронов, создавая в запрещенной зоне пустые или занятые локальные энергетические уровни. [35]

Освещение полупроводника приводит к образованию неравновесных носителей заряда, после прекращения освещения происходит нейтрализация пар электрон проводимости - дырка проводимости и все неравновесные носители рекомбинируют. Рекомбинация носителей осуществляется различными путями: переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону-это межзонная рекомбинация; через ловушки рекомбинации, локальные энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне; через ловушки рекомбинации на поверхности полупроводника - поверхностная рекомбинация. [36]

Другими словами уровень энергии электрона в растворе задается концентрацией растворенного вещества, несущего как свободные, так и связанные электроны. Это явление находит свое объяснение в зонной модели, по которой посторонние примеси и искажения регулярности структуры вещества ( в данном случае растворителя) обусловливают появление дополнительных локальных энергетических уровней, значительно облегчающих переход электронов из заполненной валентной зоны в зону проводимости. [37]

При введении в кремний или германий примесей III группы ( алюминия, бора или индия), называемых акцепторными, в кристаллической решетке ( рис. 1.1, в) в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества ( например, при нагреве до комнатной температуры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд - дырка. Локальные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными носителями при этом становятся дырки, неосновными - электроны. Избыточный заряд дырок уравновешивается зарядом отрицательных ионов, при этом сохраняется электрическая нейтральность полупроводника. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р-типа. [38]

С чем же связано появление бесщелевой сверхпроводимости. Можно предположить, что при взаимодействии с атомами примеси часть пар оказываются временно разорванными. Такому временному распаду пары соответствует появление локальных энергетических уровней в пределах самой энергетической щели. С ростом концентрации примесей щель все более заполняется этими локальными уровнями до тех пор, пока не исчезает совсем. Возникает картина, похожая на известную нам двухжид-костную модель. Существование свободных электронов, образовавшихся при разрыве пары, приводит к исчезновению энергетической щели, а оставшиеся же куперовские пары обеспечивают равенство нулю электрического сопротивления. [39]

Однако данные об этих величинах для большинства веществ являются в настоящее время еще очень отрывочными. Тот факт, что один и тот же химический элемент может создавать несколько локальных энергетических уровней, объясняется тем, что атомы этого элемента могут иметь разные степени ионизации. Первому состоянию соответствует донорный уровень, остальным - акцепторные уровни. Предполагается, что донорный уровень образуется в том случае, если атом золота внедряется в решетку германия. Если же этот атом входит в решетку германия в виде атома замещения, то он может иметь три степени отрицательной ионизации, в соответствии с тенденцией атома замещения образовывать в решетке германия характерную для нее тетраэдричсскую систему связей ( см. стр. Предположение о тенденции атомов замещения ионизоваться в соответствии с системой связей той решетки, в которую они встроены, объясняет и тот факт, что и атомы одновалентной меди создают в германии такие же три акцепторных уровня. С этой точки зрения становится понятным, почему элементы III группы образуют в германии одиночные уровни, а элементы II группы ( по новейшим данным, не учтенным на рис. 34) создают по два акцепторных уровня. [40]

Современная теория не дает полного описания вырожденных полупроводников из-за сложного характера взаимодействия дефектов. При повышении концентрации примесей в полупроводнике их взаимодействие усиливается настолько, что волновые функции электронных дефектов начинают перекрываться. При этом вследствие запрета Паули локальные энергетические уровни электронов примесей расщепляются в самостоятельную зону, которая в пределе может слиться с зоной проводимости. Естественно, что при этом энергия ионизации примесей упадет до нуля, а все избыточные электроны будут коллективизированы кристаллом подобно металлу. По этой причине сильно вырожденные полупроводники иногда называют полуметаллами. [41]

Экспериментально установлено, что фосфоресценция связана с дефектами кристаллической структуры. Зонная теория твердых тел позволяет объяснить механизм этого явления. На рис. 5.19 изображена одна из возможных энергетических схем кристаллофос-фрра, на которой объясняется механизм фосфоресценции. На этой схеме изображены два вида локальных энергетических уровней D и F, каждый из них играет свою роль в процессе фосфоресценции. [42]

Такая экспоненциальная зависимость электропроводности уже давно наблюдалась в полупроводниках при высоких температурах. Вильсон предположил, что поведение полупроводников в области низких температур обусловлено несовершенством кристалла, связанным либо с механическими дефектами, либо с химическими примесями. Выше предполагалось, что в запрещенной зоне отсутствуют разрешенные уровни энергии, однако это утверждение относится к случаю идеального кристалла. Вильсон показал, что наличие примесей в кристалле приводит к появлению в запрещенной зоне локальных энергетических уровней в непосредственной близости к краям зоны проводимости или заполненной зоны. [43]

Описанная схема относится к идеальной кристаллической решетке. Каждая из зон здесь соответствует отдельному уровню атома или иона. Хотя длительности пребывания электронов в полосе проводимости, куда они переносятся при возбуждении из заполненных зон, для подобных кристаллов исследованы совершенно недостаточно, но все же известно, что они крайне малы. О порядке длительности можно судить по аналогии со свечением соответствующих ионов, у которых возбужденное состояние длится - 10-в сек. Эти вкрапления нарушают периодичность решетки и создают местные локальные энергетические уровни, не распро-хтраняющиеся на весь кристалл. [44]

Такой переход соответствует переходу из заполненной валентной зоны кристалла на локальный уровень примеси. При этом один из уровней верхней части валентной зоны освобождается и образуется дырка. Переход электрона из валентной зоны на уровни примеси требует меньшей энергии, чем переход их на уровни проводимости кристалла. Атомы примеси в этом случае называются акцепторными, или просто акцепторами, а уровни соответственно акцепторными. Наблюдается дырочная, или р-проводимость, и кристалл является полупроводником р-типа. Локальные уровни электронов образуются не только примесными, но и собственными атомами. Например, переход атома Si в междоузлие вызывает образование двух локальных энергетических уровней: атом в междуузлип действует как донор электронов, а пустой узел как акцептор. [45]

Страницы: 1 2 3 4