Ширина запрещенной зоны - Википедия - Band gap

Эта статья о физике твердого тела. Схему управления напряжением в электронике см. бандгап.
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 (верно) показывает уровни энергии как функцию расстояния между атомами. Когда атомы 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 Теорема Блоха который описывает гибридизацию орбиталей N атомы в кристалле, N атомные орбитали равной энергии разделены на N молекулярные орбитали, каждая с разной энергией. С N При таком большом количестве соседние орбитали чрезвычайно близки друг к другу по энергии, поэтому орбитали можно рассматривать как непрерывную энергетическую полосу. а это 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 физика твердого тела, а запрещенная зона, также называемый энергетический разрыв, - диапазон энергий в твердом теле, где нет электронные состояния может существовать. В графиках электронная зонная структура твердых тел под шириной запрещенной зоны обычно понимается разность энергий (в электрон-вольт ) между верхом валентная полоса и нижняя часть зона проводимости в изоляторы и полупроводники. Это энергия, необходимая для продвижения валентный электрон связан с атомом, чтобы стать электрон проводимости, который может свободно перемещаться внутри кристаллической решетки и служить носителем заряда для проведения электрический ток. Это тесно связано с HOMO / LUMO разрыв по химии. Если валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста, то электроны не могут двигаться в твердом теле; однако, если часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, то ток может поток (см. генерация и рекомбинация носителей ). Следовательно, ширина запрещенной зоны является основным фактором, определяющим электрическая проводимость твердого тела. Вещества с большой шириной запрещенной зоны обычно изоляторы, с меньшей шириной запрещенной зоны полупроводники, пока проводники либо имеют очень маленькую запрещенную зону, либо ее нет, потому что валентная зона и зона проводимости перекрываются.

В физике полупроводников

Полупроводник ленточная структура.

Каждое твердое тело имеет свои особенности зонная структура. Такое изменение зонной структуры отвечает за широкий диапазон электрических характеристик, наблюдаемых в различных материалах. В полупроводниках и изоляторах, электроны ограничиваются рядом группы 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 либо фонон (тепло) или фотон (свет).

А 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 своей зоне проводимости при температурах ниже его точки плавления. Напротив, материал с большой шириной запрещенной зоны является изолятор. В проводники валентная зона и зона проводимости могут перекрываться, поэтому у них может не быть запрещенной зоны.

В проводимость из собственные полупроводники 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 дыры которые прекращаются, когда возникает такое возбуждение.

Разработка ширины запрещенной зоны - это процесс управления или изменения ширины запрещенной зоны материала путем управления составом определенного полупроводника. сплавы, такие как GaAlAs, InGaAs и InAlAs. Также возможно создавать слоистые материалы с чередующимся составом такими методами, как молекулярно-лучевая эпитаксия. Эти методы используются при разработке биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBTs), лазерные диоды и солнечные батареи.

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 более 4 эВ,[1] не считаются полупроводниками и обычно не проявляют полупроводниковых свойств в практических условиях. Электронная подвижность 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 решеткой фононы свободные электроны и дырки также будут влиять на ширину запрещенной зоны в меньшей степени.[2] Связь между энергией запрещенной зоны и температурой можно описать следующим образом: Варшни эмпирическое выражение (названное в честь Ю. П. Варшни ),

, куда Eграмм(0), α и β - материальные постоянные.[3]

В обычном кристалле полупроводника запрещенная зона фиксируется за счет непрерывных энергетических состояний. В квантовая точка В кристалле ширина запрещенной зоны зависит от размера и может быть изменена для получения диапазона энергий между валентной зоной и зоной проводимости.[4] Он также известен как квантовый эффект ограничения.

Ширина запрещенной зоны также зависит от давления. Ширина запрещенной зоны может быть либо прямо или косвенно, в зависимости от электронная зонная структура.

Прямая и непрямая запрещенная зона

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 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 фотон и фонон оба 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, как правило, лучше подходят для фотогальваника (PV), светодиоды (Светодиоды) и лазерные диоды; однако материалы с непрямой запрещенной зоной часто используются в фотоэлектрических элементах и ​​светодиодах, когда материалы имеют другие благоприятные свойства.

Светодиоды и лазерные диоды

Основная статья: Светодиод

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

Основная статья: Солнечная батарея
В 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 ширину запрещенной зоны вблизи пика этой кривой, например кремний (1,1 эВ) или CdTe (1,5 эВ). Предел Шокли – Кейссера был превышен экспериментально путем комбинирования материалов с разной энергией запрещенной зоны для получения тандемные солнечные элементы.

Оптическая ширина запрещенной зоны (см. Ниже) определяет, в какой части солнечного спектра фотоэлектрический элемент впитывает.[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 люминесцентный среды для преобразования с понижением частоты фотонов с энергиями выше запрещенной зоны в энергии фотонов ближе к запрещенной зоне полупроводника, составляющего солнечный элемент.[7]

Список запрещенных зон

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

ГруппаМатериалСимволШирина запрещенной зоны (эВ ) @ 302KСсылка
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 кремнияSi3N45
IV – VIСульфид свинца (II)PbS0.37[10]
IV – VIДиоксид кремнияSiO29[11]
Оксид медиCu2О2.1[12]

Оптическая и электронная запрещенная зона

В материалах с большим экситон энергия связи, фотон может иметь едва достаточно энергии для создания экситона (связанной пары электрон-дырка), но недостаточно 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 нет связаны 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, в том числе органические полупроводники и однослойные углеродные нанотрубки, различие может быть значительным.

Ширина запрещенной зоны для других квазичастиц

В фотоника, 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. Понятие гипероднородности[13] расширил диапазон материалов для фотонной запрещенной зоны за пределы фотонных кристаллов. Применяя технику в суперсимметричная квантовая механика, предложен новый класс оптически неупорядоченных материалов,[14] которые поддерживают запрещенные зоны, полностью эквивалентные кристаллы или же квазикристаллы.

Аналогичная физика применима к фононы в фононный кристалл.[15]

Материалы

Список тем электроники

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бабу, В. Суреш (2010). Твердотельные устройства и технологии, 3-е издание. Писон.
  2. ^ Юнлю, Хильми (сентябрь 1992 г.). «Термодинамическая модель для определения влияния давления и температуры на ширину запрещенной зоны и другие свойства некоторых полупроводников». Твердотельная электроника. 35 (9): 1343–1352. Bibcode:1992ССЭле..35.1343У. Дои:10.1016 / 0038-1101 (92) 90170-Н.
  3. ^ Варшни, Ю. (Январь 1967). «Температурная зависимость запрещенной зоны в полупроводниках». Physica. 34 (1): 149–154. Bibcode:1967Фи .... 34..149В. Дои:10.1016/0031-8914(67)90062-6.
  4. ^ «Evident Technologies» В архиве 2009-02-06 в Wayback Machine. Evidenttech.com. Проверено 3 апреля 2013.
  5. ^ Дин, К. Дж. (Август 1984 г.). "Волны и поля в оптоэлектронике: серия Прентис-Холла в твердотельной физической электронике". Бюллетень физики. 35 (8): 339. Дои:10.1088/0031-9112/35/8/023.
  6. ^ Наноразмерный материальный дизайн. Nrel.gov. Проверено 3 апреля 2013.
  7. ^ Нанокристаллические люминесцентные преобразователи солнечной энергии, 2004
  8. ^ Фенеберг, Мартин; Leute, Robert A. R .; Нойшль, Бенджамин; Тонке, Клаус; Бикерманн, Маттиас (16 августа 2010 г.). «Спектры фотолюминесценции высокого возбуждения и высокого разрешения объемного AlN». Физический обзор B. 82 (7): 075208. Bibcode:2010PhRvB..82g5208F. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.075208.
  9. ^ Киттель, Чарльз. Введение в физику твердого тела, 7-е издание. Вайли.
  10. ^ а б c d е ж Streetman, Бен Дж .; Санджай Банерджи (2000). Твердотельные электронные устройства (5-е изд.). Нью-Джерси: Prentice Hall. п. 524. ISBN  0-13-025538-6.
  11. ^ Vella, E .; Мессина, Ф .; Cannas, M .; Боскаино, Р. (2011). «Раскрытие динамики экситонов в аморфном диоксиде кремния: интерпретация оптических характеристик от 8 до 11 эВ». Физический обзор B. 83 (17): 174201. Bibcode:2011PhRvB..83q4201V. Дои:10.1103 / PhysRevB.83.174201.
  12. ^ Баумейстер, П. (1961). «Оптическое поглощение оксида меди». Физический обзор. 121 (2): 359. Bibcode:1961ПхРв..121..359Б. Дои:10.1103 / PhysRev.121.359.
  13. ^ Xie, R .; Лонг, Г. Г .; Weigand, S.J .; Moss, S.C .; 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. Дои:10.1073 / pnas.1220106110. ЧВК  3746861. PMID  23898166.
  14. ^ Ю, Сункью; 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:2015 НатКо ... 6E8269Y. Дои:10.1038 / ncomms9269. ЧВК  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:2009Натура 462 ... 78E. Дои:10.1038 / природа08524. ISSN  0028-0836. PMID  19838165. S2CID  4404647.

внешняя ссылка