Войти
Показано, как возникает электронная зонная структура, на гипотетическом примере большого количества атомов углерода, соединенных вместе 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. Согласно принципу исключения Паули каждая атомная орбиталь делится на N молекулярных орбиталей, каждая с разной энергией, где N - количество атомов в кристалле. Поскольку N такое большое число, соседние орбитали очень 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. Очень немногие электроны обладают энергией, чтобы преодолеть эту широкую запрещенную зону и стать электронами проводимости, поэтому алмаз является изолятором. В физике твердого тела, запрещенная зона, также называемая запрещенная зона - это диапазон энергий в твердом теле, в котором не может существовать электронных состояний. На графиках электронной зонной структуры твердых тел запрещенная зона обычно относится к разнице энергий (в электрон-вольтах ) между верхней частью валентной зоны и нижнюю часть зоны проводимости в изоляторах и полупроводниках. Это энергия, необходимая для превращения валентного электрона, связанного с атомом, в электрон проводимости, который может свободно перемещаться внутри кристаллической решетки и служить носителем заряда для проведения электрический ток. 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, запрещенная зона является основным фактором, определяющим электрическую проводимость твердого тела. Вещества с большой шириной запрещенной зоны обычно представляют собой изоляторы, вещества с меньшей шириной запрещенной зоны - это полупроводники, а проводники либо имеют очень малую ширину запрещенной зоны, либо ее нет, поскольку валентные и зоны проводимости перекрываются.
Полупроводник 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 ограничены рядом зон энергии и запрещены для других областей. 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 либо фонон (тепло), либо фотон (свет).
A полупроводник представляет собой материал с промежуточной, но ненулевой шириной запрещенной зоны, который ведет себя как изолятор при абсолютном нуле, но допускает тепловое возбуждение электронов в его зону проводимости при температурах ниже его точки плавления. Напротив, материал с большой запрещенной зоной представляет собой изолятор . В проводниках валентная зона и зона проводимости могут перекрываться, поэтому они могут не иметь запрещенной зоны.
проводимость собственных полупроводников сильно зависит от ширины запрещенной зоны. Единственными доступными носителями заряда для проводимости являются электроны, которые обладают достаточной тепловой энергией для возбуждения через запрещенную зону, и электронные дырки, которые остаются отключенными при возникновении такого возбуждения.
Разработка 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 такими методами, 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, 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 уменьшаться с повышением температуры. Когда температура увеличивается, амплитуда атомных колебаний увеличивается, что приводит к увеличению межатомного расстояния. Взаимодействие между решеточными фононами и свободными электронами и дырками также будет влиять на ширину запрещенной зоны в меньшей степени. Взаимосвязь между энергией запрещенной зоны и температурой может быть описана эмпирическим выражением Варшни (названным в честь Ю.П. Варшни ),
, где E g (0), α и β - материальные константы.В обычном полупроводниковом кристалле ширина запрещенной зоны фиксирована благодаря непрерывным энергетическим состояниям. 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. Он также известен как эффект квантового ограничения..
Ширина запрещенной зоны также зависит от давления. Ширина запрещенной зоны может быть прямой или непрямой, в зависимости от электронной зонной структуры.
В зависимости от зонной структуры материалы имеют либо прямую запрещенную зону или непрямая запрещенная зона. Если импульс состояния с наименьшей энергией в зоне проводимости и состояния с наивысшей энергией валентной зоны материала одинаковы, 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 и фотон, и фонон должны участвовать в переходе от верха валентной зоны к дну 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 лучше подходят для фотоэлектрических элементов (фотоэлектрических модулей), светодиодов (светодиоды) 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 обычно излучают фотоны с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны полупроводникового материала, из которой они изготовлены, и немного превышающей ее. сделал. Следовательно, по мере увеличения ширины запрещенной зоны цвет светодиода или лазера меняется с инфракрасного на красный, через радужный на фиолетовый, затем на УФ.
Предел Шокли – Кайссера дает максимально возможную эффективность однопереходного солнечного элемента в условиях неконцентрированного солнечного света в зависимости от ширины запрещенной 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 запрещенные зоны около пика этой кривой, например кремний (1,1 эВ) или CdTe (1,5 эВ). Предел Шокли – Кайссера был превышен экспериментально путем комбинирования материалов с различной шириной запрещенной зоны для создания тандемных солнечных элементов.Оптическая запрещенная зона (см. Ниже) определяет, в какой части солнечного спектра фотоэлектрический элемент впитывает. Полупроводник не будет поглощать фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны; а энергия пары электрон-дырка, созданная фотоном, равна энергии запрещенной зоны. В люминесцентном преобразователе солнечной энергии используется люминесцентная среда для преобразования фотонов с энергиями выше запрещенной зоны в энергию фотонов ближе к запрещенной зоне полупроводника, составляющего солнечный элемент.
Ниже приведены значения ширины запрещенной зоны для некоторых выбранных материалов. Полный список запрещенных зон в полупроводниках см. В разделе Список полупроводниковых материалов.
| Группа | Материал | Символ | Ширина запрещенной зоны (эВ ) @ 302 K | Ссылка |
|---|---|---|---|---|
| III-V | Нитрид алюминия | AlN | 6,0 | |
| IV | Алмаз | C | 5,5 | |
| IV | Кремний | Si | 1,14 | |
| IV | Германий | Ge | 0,67 | |
| III – V | Нитрид галлия | GaN | 3,4 | |
| III – V | фосфид галлия | GaP | 2,26 | |
| III – V | арсенид галлия | GaAs | 1,43 | |
| IV – V | Нитрид кремния | Si3N4 | 5 | |
| IV – VI | Сульфид свинца (II) | PbS | 0,37 | |
| IV – VI | Диоксид кремния | SiO 2 | 9 | |
| Оксид меди | Cu2O | 2.1 |
В материалах с большой энергией связи экситона фотон может иметь едва достаточную энергию для создания экситона (связанного электрон-дырочная пара), но не хватает энергии, чтобы разделить электрон и дырку (которые электрически притягиваются друг к другу). 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.
В фотонике запрещенные зоны или стоп-зоны - это диапазоны частот фотонов, в которых, если пренебречь эффектами туннелирования, никакие фотоны не могут быть передается через материал. Материал, демонстрирующий такое поведение, известен как фотонный кристалл. Концепция сверходнородности расширила диапазон материалов с фотонной запрещенной зоной за пределы фотонных кристаллов. Применяя технику из суперсимметричной квантовой механики, был предложен новый класс оптических неупорядоченных материалов, которые поддерживают запрещенные зоны, совершенно эквивалентные таковым в кристаллах или квазикристаллах.
Аналогичная физика применима к фононам в фононном кристалле.
