Запрещенная зона
В физике твердого тела и химии твердого тела , запрещенная зона также называемая запрещенной зоной или энергетической щелью , представляет собой область энергий в твердом теле, где не существует электронных состояний . На графиках электронной зонной структуры твердых тел ширина запрещенной зоны обозначает разность энергий (часто выражаемую в электронвольтах ) между верхом валентной зоны и низом зоны проводимости в изоляторах и полупроводниках . Это энергия, необходимая для продвижения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Образующийся электрон в зоне проводимости (и электронная дырка в валентной зоне) могут свободно перемещаться внутри кристаллической решетки и служат носителями заряда для проведения электрического тока . Это тесно связано с разрывом HOMO/LUMO в химии. Если валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, то электроны не могут перемещаться внутри твердого тела, поскольку доступных состояний нет. Если электроны не могут свободно перемещаться внутри кристаллической решетки, то ток не генерируется из-за отсутствия чистой подвижности носителей заряда. Однако если часть электронов перейдет из валентной зоны (в основном заполненной) в зону проводимости (в основном пустую), то ток может течь (см. генерацию носителей и рекомбинацию ). Следовательно, ширина запрещенной зоны является основным фактором, определяющим электропроводность твердого тела. Вещества с большой запрещенной зоной (также называемые «широкими» запрещенными зонами) обычно являются изоляторами , вещества с небольшой запрещенной зоной (также называемые «узкими» запрещенными зонами) являются полупроводниками , а проводники либо имеют очень малую запрещенную зону, либо ее нет, поскольку валентность и зоны проводимости перекрываются, образуя непрерывную зону.
В физике полупроводников
[ редактировать ]
Каждое твердое тело имеет свою характерную зонную структуру . Такое изменение зонной структуры ответственно за широкий диапазон электрических характеристик, наблюдаемых в различных материалах. В зависимости от размерности зонная структура и спектроскопия могут меняться. Перечислены различные типы измерений: одно измерение, два измерения и три измерения. [1]
В полупроводниках и изоляторах электроны ограничены несколькими энергетическими зонами и им запрещен доступ в другие области, поскольку для них нет допустимых электронных состояний. Термин «запрещенная зона» относится к разнице энергий между верхом валентной зоны и низом зоны проводимости. Электроны способны перепрыгивать из одной зоны в другую. Однако для того, чтобы электрон валентной зоны мог перейти в зону проводимости, ему требуется определенное минимальное количество энергии для перехода. Эта необходимая энергия является внутренней характеристикой твердого материала. Электроны могут получить достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости, поглощая либо фонон (тепло), либо фотон (свет).
Полупроводник — это материал с ненулевой запрещенной зоной промежуточного размера, который ведет себя как изолятор при T = 0K, но допускает термическое возбуждение электронов в свою зону проводимости при температурах ниже его точки плавления. Напротив, материал с большой запрещенной зоной является изолятором . В проводниках валентная зона и зона проводимости могут перекрываться, поэтому больше нет запрещенной зоны с запрещенными областями электронных состояний.
Проводимость . 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 при таком возбуждении.
Инженерия запрещенной зоны — это процесс контроля или изменения ширины запрещенной зоны материала путем управления составом определенных полупроводниковых сплавов , таких как GaAlAs , InGaAs и InAlAs . Также возможно создавать слоистые материалы чередующегося состава 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, [2] не считаются полупроводниками и обычно не проявляют полупроводникового поведения в практических условиях. Подвижность электронов также играет роль в определении неформальной классификации материала.
Энергия запрещенной зоны полупроводников имеет тенденцию уменьшаться с ростом температуры. При повышении температуры амплитуда атомных колебаний увеличивается, что приводит к увеличению межатомного расстояния. Взаимодействие между фононами решетки и свободными электронами и дырками также будет в меньшей степени влиять на ширину запрещенной зоны. [3] Связь между энергией запрещенной зоны и температурой можно описать эмпирическим выражением Варшни (названного в честь Ю. П. Варшни ):
- , где E g (0), α и β — материальные константы. [4]
Кроме того, колебания решетки увеличиваются с температурой, что усиливает эффект рассеяния электронов. Кроме того, количество носителей заряда внутри полупроводника будет увеличиваться, поскольку больше носителей имеют энергию, необходимую для пересечения порога запрещенной зоны, и поэтому проводимость полупроводников также увеличивается с увеличением температуры. [5] Внешнее давление также влияет на электронную структуру полупроводников и, следовательно, на их оптическую запрещенную зону. [6]
В регулярном 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 создания диапазона энергий между валентной зоной и зоной проводимости. [7] Он также известен как эффект квантового ограничения .
Запрещенная зона может быть прямой или непрямой , в зависимости от электронной зонной структуры материала. [6] [8] [9]
Ранее упоминалось, что размеры имеют различную зонную структуру и спектроскопию. Неметаллические твердые тела, которые являются одномерными, имеют оптические свойства, которые зависят от электронных переходов между валентной зоной и зоной проводимости. Кроме того, вероятность спектроскопического перехода между начальной и конечной орбиталью зависит от интеграла. [1] φ i — начальная орбиталь, φ f — конечная орбиталь, ʃ φ f * ûεφ i — интеграл, ε — электрический вектор, u — дипольный момент. [1]
Двумерные структуры твердых тел ведут себя из-за перекрытия атомных орбиталей. [1] Простейший двумерный кристалл содержит одинаковые атомы, расположенные в квадратной решетке. [1] Расщепление энергии происходит на краю зоны Бриллюэна в одномерных ситуациях из-за слабого периодического потенциала, который создает щель между зонами. Поведение одномерных ситуаций не наблюдается в двумерных случаях, поскольку существует дополнительная свобода движения. Более того, запрещенная зона может быть создана с помощью сильного периодического потенциала для двумерных и трехмерных случаев. [1]
Прямая и непрямая запрещенная зона
[ редактировать ]В зависимости от зонной структуры материалы характеризуются прямой или непрямой запрещенной зоной. В модели свободных электронов k представляет собой импульс свободного электрона и принимает уникальные значения в пределах зоны Бриллюэна, которая определяет периодичность кристаллической решетки. Если импульс наименьшего энергетического состояния в зоне проводимости и наивысшего энергетического состояния валентной зоны материала имеют одинаковое значение, то материал имеет прямую запрещенную зону. Если они не одинаковы, то материал имеет непрямую запрещенную зону, и электронный переход должен подвергнуться передаче импульса, чтобы обеспечить сохранение. Такие косвенные «запрещенные» переходы все еще происходят, однако с очень малой вероятностью и меньшей энергией. [6] [8] [9] Для материалов с прямой запрещенной зоной валентные электроны могут быть непосредственно возбуждены в зону проводимости фотоном, энергия которого больше ширины запрещенной зоны. Напротив, для материалов с непрямой запрещенной зоной фотон и фонон должны участвовать в переходе от верха валентной зоны к низу зоны проводимости, что приводит к изменению импульса . Следовательно, материалы с прямой запрещенной зоной, как правило, имеют более сильные свойства светоизлучения и поглощения и, как правило, лучше подходят для фотоэлектрических (PV), светоизлучающих диодов (LED) и лазерных диодов ; [10] однако материалы с непрямой запрещенной зоной часто используются в фотоэлектрических модулях и светодиодах, когда материалы обладают другими благоприятными свойствами.
Светодиоды и лазерные диоды
[ редактировать ]Светодиоды и лазерные диоды обычно излучают фотоны с энергией, близкой к запрещенной зоне полупроводникового материала, из которого они изготовлены, и немного большей ее. Поэтому по мере увеличения энергии запрещенной зоны цвет светодиода или лазера меняется с инфракрасного на красный, через радугу на фиолетовый, а затем на УФ. [11]
Фотоэлектрические элементы
[ редактировать ]
Оптическая запрещенная зона (см. ниже) определяет, какую часть солнечного спектра поглощает фотоэлектрический элемент . [12] Строго говоря, полупроводник не будет поглощать фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны; тогда как большинство фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, будут генерировать тепло. Ни один из них не способствует эффективности солнечного элемента. Один из способов обойти эту проблему основан на так называемой концепции управления фотонами, в которой солнечный спектр модифицируется в соответствии с профилем поглощения солнечного элемента. [13]
Список запрещенных зон
[ редактировать ]Ниже приведены значения запрещенной зоны для некоторых выбранных материалов. [14] Полный список запрещенных зон в полупроводниках см. в разделе «Список полупроводниковых материалов» .
| Группа | Материал | Символ | Запрещенная зона ( эВ ) при 302 К | Ссылка |
|---|---|---|---|---|
| III–V | Нитрид алюминия | АлН | 6.0 | [15] |
| IV | Алмаз | С | 5.5 | [16] |
| IV | Кремний | И | 1.14 | [17] [6] [18] |
| IV | германий | Ге | 0.67 | [17] [6] [18] |
| III–V | Нитрид галлия | ГаН | 3.4 | [17] [6] [18] |
| III–V | Фосфид галлия | Зазор | 2.26 | [17] [6] [18] |
| III–V | арсенид галлия | GaAs | 1.43 | [17] [6] [18] |
| IV–V | Нитрид кремния | Si3NСи3Н4 | 5 | [19] |
| IV–VI | Сульфид свинца(II) | ПбС | 0.37 | [17] [6] |
| IV–VI | Диоксид кремния | SiO 2 | 9 | [20] |
| Оксид меди(I) | Си 2 О | 2.1 | [21] |
Оптическая и электронная запрещенная зона
[ редактировать ]В материалах с большой энергией связи экситона фотон может иметь едва достаточную энергию для создания экситона (связанной пары электрон-дырка), но недостаточно энергии для разделения электрона и дырки (которые электрически притягиваются друг к другу). другой). В этой ситуации существует различие между «оптической запрещенной зоной» и «электронной запрещенной зоной» (или «транспортной щелью»). Оптическая запрещенная зона — это порог поглощения фотонов, а транспортная щель — это порог создания пары электрон-дырка, которая не связана вместе. Оптическая запрещенная зона имеет меньшую энергию, чем транспортная щель.
Почти во всех неорганических полупроводниках, таких как кремний, арсенид галлия и т. д., взаимодействие между электронами и дырками очень мало (очень малая энергия связи экситонов), поэтому оптическая и электронная запрещенные зоны по существу одинаковы, и различие между ними заключается в игнорируется. Однако в некоторых системах, включая органические полупроводники и одностенные углеродные нанотрубки , различие может быть существенным.
Запрещенные зоны для других квазичастиц
[ редактировать ]В фотонике запрещенная зона или стоп-зона — это диапазон частот фотонов, в котором, если пренебречь эффектами туннелирования, фотоны не могут проходить через материал. Материал, демонстрирующий такое поведение, известен как фотонный кристалл . Концепция гипероднородности [22] расширил диапазон фотонных материалов с запрещенной зоной за пределы фотонных кристаллов. Применяя эту технику в суперсимметричной квантовой механике , был предложен новый класс оптически неупорядоченных материалов: [23] которые поддерживают запрещенную зону, совершенно эквивалентную таковой в кристаллах или квазикристаллах .
Аналогичная физика применима и к фононам в фононном кристалле . [24]
Материалы
[ редактировать ]Список тем по электронике
[ редактировать ]- Электроника
- Опорное напряжение запрещенной зоны
- Физика конденсированного состояния
- Прямые и непрямые запрещенные зоны
- Электрическая проводимость
- Электронная дырка
- Полевой транзистор
- Светодиод
- Фотодиод
- Фоторезистор
- Фотовольтаика
- Солнечная батарея
- Физика твердого тела
- Полупроводник
- Полупроводниковые приборы
- Сильно коррелированный материал
- Валентная зона
См. также
[ редактировать ]- Широкозонные полупроводники
- Гибка ленты
- Спектральная плотность
- Псевдоразрыв
- сюжет Таука
- Эффект Мосса – Бурштейна
- Урбах Энерджи
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Кокс, Пенсильвания (1987). Электронная структура и химия твердого тела . стр. 102–114.
- ^ Бабу, В. Суреш (2010). Твердотельные устройства и технологии, 3-е издание . Писон.
- ^ Юнлю, Хилми (сентябрь 1992 г.). «Термодинамическая модель для определения влияния давления и температуры на энергию запрещенной зоны и другие свойства некоторых полупроводников» . Твердотельная электроника . 35 (9): 1343–1352. Бибкод : 1992SSEle..35.1343U . дои : 10.1016/0038-1101(92)90170-H .
- ^ Варшни, Ю.П. (январь 1967 г.). «Температурная зависимость энергетической щели в полупроводниках». Физика . 34 (1): 149–154. Бибкод : 1967Phy....34..149В . дои : 10.1016/0031-8914(67)90062-6 .
- ^ Кокс, Пенсильвания (1987). Электронное строение и химия твердого тела . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-855204-1 . OCLC 14213060 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Панкове, Дж.И. (1971). «Главы 1-3». Оптические процессы в полупроводниках . Дувр. ISBN 0-486-60275-3 .
- ^ «Evident Technologies». Архивировано 6 февраля 2009 г. в Wayback Machine . Evidenttech.com. Проверено 3 апреля 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ю, ПЯ; Кардона, М. (1996). «Глава 6». Основы полупроводников . Спрингер. ISBN 3-540-61461-3 .
- ^ Перейти обратно: а б Фокс, М. (2008). «Главы 1–3». Оптические свойства твердых тел . Оксфордский университет. Нажимать. ISBN 978-0-19-850613-3 .
- ^ Сзе, С.М. (1981). «Главы 12–14». Физика полупроводниковых приборов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0471056618 .
- ^ Дин, KJ (август 1984 г.). «Волны и поля в оптоэлектронике: серия Прентис-Холла в твердотельной физической электронике». Физический бюллетень . 35 (8): 339. дои : 10.1088/0031-9112/35/8/023 .
- ^ Перейти обратно: а б Гетцбергер, А.; Кноблох, Дж.; Восс, Б. (1998). Солнечные элементы из кристаллического кремния . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-97144-8 .
- ^ Занатта, Арканзас (декабрь 2022 г.). «Предел Шокли-Кейссера и эффективность преобразования солнечных элементов на основе кремния». Результаты Опц . 9 : 100320–7 стр. дои : 10.1016/j.rio.2022.100320 .
- ^ Тропф, В.Дж.; Харрис, Ти Джей; Томас, Мэн (2000). «11». Справочник по электрооптике . МакГроу-Хилл. ISBN 9780070687165 .
- ^ Фенеберг, Мартин; Лейте, Роберт А.Р.; Нойшль, Бенджамин; Тонке, Клаус; Бикерманн, Матиас (16 августа 2010 г.). «Спектры фотолюминесценции высокого возбуждения и высокого разрешения объемного AlN». Физический обзор B . 82 (7): 075208. Бибкод : 2010PhRvB..82g5208F . дои : 10.1103/PhysRevB.82.075208 .
- ^ Киттель, Чарльз . Введение в физику твердого тела , 7-е издание . Уайли.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Стритман, Бен Г.; Санджай Банерджи (2000). Твердотельные электронные устройства (5-е изд.). Нью-Джерси : Прентис Холл . п. 524. ИСБН 0-13-025538-6 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Занатта, Арканзас (август 2019 г.). «Возврат к оптической запрещенной зоне полупроводников и предложение единой методики ее определения» . Научные отчеты . 9 : 11225–12 стр. дои : 10.1038/s41598-019-47670-y . ПМК 6677798 . ПМИД 31375719 .
- ^ Бауэр, Дж. (1977). «Оптические свойства, запрещенная зона и шероховатость поверхности Si3N4». Физический статус Солиди А. 39 (2): 411–418. Бибкод : 1977ПССАР..39..411Б . дои : 10.1002/pssa.2210390205 .
- ^ Велла, Э.; Мессина, Ф.; Каннас, М.; Боскаино, Р. (2011). «Раскрытие динамики экситонов в аморфном диоксиде кремния: интерпретация оптических особенностей от 8 до 11 эВ» . Физический обзор B . 83 (17): 174201. Бибкод : 2011PhRvB..83q4201V . дои : 10.1103/PhysRevB.83.174201 . S2CID 121793038 .
- ^ Баумайстер, PW (1961). «Оптическое поглощение оксида меди». Физический обзор . 121 (2): 359. Бибкод : 1961PhRv..121..359B . дои : 10.1103/PhysRev.121.359 .
- ^ Се, Р.; Лонг, Г.Г.; Вейганд, С.Дж.; Мосс, Южная Каролина; Карвальо, Т.; Рурда, С.; Хейна, М.; Торквато, С.; Стейнхардт, П.Дж. (29 июля 2013 г.). «Сверходнородность аморфного кремния на основе измерения предела структурного фактора в бесконечной длине волны» . Труды Национальной академии наук . 110 (33): 13250–13254. Бибкод : 2013PNAS..11013250X . дои : 10.1073/pnas.1220106110 . ПМЦ 3746861 . ПМИД 23898166 .
- ^ Ю, Сункю; Пяо, Сяньцзи; Хун, Джихо; Пак, Намкё (16 сентября 2015 г.). «Блоховские волны в потенциалах случайного блуждания на основе суперсимметрии» . Природные коммуникации . 6 (1): 8269. arXiv : 1501.02591 . Бибкод : 2015NatCo...6.8269Y . дои : 10.1038/ncomms9269 . ПМЦ 4595658 . ПМИД 26373616 .
- ^ Эйченфилд, Мэтт; Чан, Джаспер; Камачо, Райан М.; Вахала, Керри Дж.; Художник Оскар (2009). «Оптомеханические кристаллы». Природа . 462 (7269): 78–82. arXiv : 0906.1236 . Бибкод : 2009Natur.462...78E . дои : 10.1038/nature08524 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 19838165 . S2CID 4404647 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Калькулятор энергии прямой запрещенной зоны
- Мориарти, Филип. «Энергетический разрыв (и что делает стекло прозрачным?)» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .