Группа изгибается

При твердотельной физике сгибание полосы относится к процессу, в котором электронная полоса структура в материале кричит вверх или вниз вблизи соединения или границы раздела. Это не связано с каким -либо физическим (пространственным) изгибом. Когда электрохимический потенциал носителей свободного заряда вокруг границы раздела полупроводника отличается, носители заряда переносятся между двумя материалами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние, в результате чего различие потенциала исчезает. ^{[ 1 ]} Концепция изгиба группы была впервые разработана в 1938 году, когда Мотт , Давида и Шоттки все опубликовали теории исправления контактов с металлическим полупроводником . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Использование полупроводниковых соединений вызвало компьютерную революцию во второй половине 20 -го века. Такие устройства, как диод , транзистор , фотоэлемент и многие другие, играют важную роль в технологии.

Качественное описание

Полосное изгиб может быть вызвано несколькими типами контакта. контакт с металлическим контактом, состояние поверхностного состояния, прикладное смещение и изгиб полосы, вызванные адсорбцией . В этом разделе обсуждаются

Металл-полупроводник контактный контакт, вызванный изгибом полосы

На рисунке 1 показана идеальная диаграмма полосы (то есть диаграмма полосы при нулевой температуре без каких-либо примесей, дефектов или загрязняющих веществ) металла с полупроводником N-типа до (вверху) и после контакта (внизу). Рабочая функция определяется как разница в энергии между уровнем Ферми материала и уровнем вакуума до контакта и обозначается $\phi$ Полем Когда металл и полупроводник будут вступят в контакт, носители заряда (т.е. свободные электроны и отверстия) будут передаваться между двумя материалами в результате разницы в функциях работы $V_{BB}=|\phi _{m}-\phi _{s}|$ .

Если металлическая работа функционирует ( $\phi _{m}$ ) больше, чем у полупроводника ( $\phi _{s}$ ), то есть $\phi _{m}>\phi _{s}$ Электроны будут течь от полупроводника к металлу, тем самым снижая уровень полупроводника Ферми и увеличивая уровень металла. При равновесии разница в функциях работы исчезает, а уровни Ферми выровняются по границе раздела. Двойной слой Гельмгольца будет сформирован вблизи соединения, в котором металл негативно заряжен, а полупроводник положительно заряжен из -за этой электростатической индукции . Следовательно, чистое электрическое поле ${\vec {E}}$ установлен из полупроводника до металла. Из -за низкой концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике электрическое поле не может быть эффективно проверено (в отличие от металла, где $E=0$ в объеме). Это вызывает образование области истощения вблизи поверхности полупроводника. В этом регионе ребра энергетических полос в полупроводнике сгибаются вверх в результате накопленного заряда и связанного электрического поля между полупроводником и металлической поверхностью.

В случае $\phi _{m}<\phi _{s}$ Электроны разделяются от металла до полупроводника, что приводит к электрическому поле, которое указывает в противоположном направлении. Следовательно, изгиб полосы вниз, как видно в правом нижнем углу рисунка 1.

Можно представить направление изгиба, учитывая электростатическую энергию, испытываемую электроном при движении по границе раздела. Когда $\phi _{m}>\phi _{s}$ , металл развивает отрицательный заряд. Поэтому электрон, перемещающийся от полупроводника к металлу, испытывает растущее отталкивание, когда он приближается к границе раздела. Отсюда следует, что его потенциальная энергия повышается, и, следовательно, изгиб полосы вверх. В случае $\phi _{m}<\phi _{s}$ , полупроводник несет отрицательный заряд, образуя так называемый слой накопления и оставляя положительный заряд на металлической поверхности. Электрическое поле развивается от металла до полупроводника, который движет электронами к металлу. Подойдя ближе к металлу, электрон может, таким образом, снизить его потенциальную энергию. В результате полупроводниковая энергетическая полоса изгибается вниз к металлической поверхности. ^{[ 4 ]}

Поверхностное состояние, вызванное полосой, изгиб

Несмотря на энергетически неблагоприятные, поверхностные состояния могут существовать на чистой полупроводниковой поверхности из -за прекращения периодичности решетки материалов . Изгибание полосы также может быть вызвано в энергетических полосах таких поверхностных состояний. Схема идеальной полосы диаграммы вблизи поверхности чистого полупроводника в равновесии с его поверхностными состояниями показана на рисунке 2. Непарные электроны в висящих связях поверхностных атомов взаимодействуют друг с другом, образуя электронное состояние с узкой энергетической полосой, расположенной где -то в пределах зоны полосы объемного материала. Для простоты полоса поверхностного состояния предполагается, что наполовину заполнена уровнем Ферми, расположенным на середине заливки. Кроме того, легирование принимается, чтобы не иметь влияния на поверхностные состояния. Это действительное приближение, поскольку концентрация легирующей примеси низкая.

Для внутренних полупроводников (UndoPed) валентная полоса полностью заполнена электронами, а полоса проводимости полностью пуста. Таким образом, уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны, такой же, как и у поверхностных состояний, и, следовательно, между объем и поверхностью нет переноса заряда. В результате не происходит изгиба группы. Если полупроводник легирован, уровень объема Ферми сдвигается по отношению к уровню невыполненного полупроводника путем введения собственных состояний легирующих применений в зону полосы. Он сдвинут для полупроводников N-легированных (ближе к полосе проводимости) и вниз в случае P-лечения (приближаясь к валентной полосе). В неравновесном, энергия Ферми, таким образом, ниже или выше, чем у поверхностных состояний для P- и N-легирования соответственно. Из -за разницы в энергии электроны будут течь от объема к поверхности или наоборот, пока уровни Ферми не станут выровненными в равновесии. Результатом является то, что для N-легирования энергетические полосы сгибаются вверх, тогда как они склоняются вниз для полупроводников, легированных P. ^{[ 5 ]} Обратите внимание, что плотность поверхностных состояний большая ( $\sim 10^{5}{\text{ cm}}^{-2}$ ) по сравнению с концентрацией легирующей привязки в объеме ( $\sim 10^{8}-10^{12}{\text{ cm}}^{-2}$ ) Следовательно, энергия Ферми полупроводника практически не зависит от объемной концентрации легирования и вместо этого определяется поверхностными состояниями. Это называется прикреплением уровня Ферми .

Адсорбционная полоса изгиба

Адсорбция на поверхности полупроводника также может вызвать изгиб полосы. На рисунке 3 иллюстрирует адсорбция акцепторной молекулы (а) на поверхности полупроводника. Когда молекула приближается к поверхности, незаполненная молекулярная орбиталь акцептора взаимодействует с полупроводником и смещается вниз по энергии. Из -за адсорбции акцепторной молекулы его движение ограничено. следует Из общего принципа неопределенности , что молекулярная орбитала расширяет свою энергию, как видно в нижней части рисунка 3. Понижение акцепторного молекулярного орбитала приводит к потоку электронов от полупроводника к молекуле, тем самым снова образуя слой Гельмхольц на на основе Полупроводническая поверхность. Электрическое поле настроено, и появляется верхняя полоса, изгибающаяся возле поверхности полупроводника. Для донорской молекулы электроны перенесут из молекулы в полупроводник, что приведет к изгибу нисходящей полосы. ^{[ 1 ]}

Применяемый изгиб полосы применения

Когда напряжение применяется на двух поверхностях металлов или полупроводников, связанное электрическое поле способно проникнуть на поверхность полупроводника. Поскольку полупроводниковый материал содержит мало носителей заряда, электрическое поле вызовет накопление зарядов на поверхности полупроводника. Когда $V>0$ , предвзятость вперед, группа изгибается вниз. Обратное предвзятость ( $V<0$ ) приведет к накоплению отверстий на поверхности, что согнет полосу вверх. Это снова следует из уравнения Пуассона . ^{[ 5 ]}

В качестве примера изгиба полосы, вызванное формированием соединения PN или соединения металлического полупроводника, может быть изменено путем применения напряжения смещения $V_{A}$ Полем Это напряжение добавляет встроенный потенциал ( $V_{BI}$ ) существует в области истощения ( $V_{BI}-V_{A}$ ). ^{[ 6 ]} Таким образом, разность потенциалов между полосами либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от типа применяемого смещения. Обычное приближение истощения предполагает равномерное распределение ионов в области истощения. Это также приближается к внезапному падению концентрации носителя заряда в области истощения. ^{[ 7 ]} Поэтому электрическое поле меняется линейно, а изгиб полосы является параболическим. ^{[ 8 ]} Таким образом, ширина области истощения будет изменяться из -за напряжения смещения. Ширина области истощения определяется:

$w=x_{n}+x_{p}={\sqrt {\frac {2\epsilon _{s}(N_{A}+N_{D})(V_{BI}-V_{A}-2kT/q)}{qN_{A}N_{D}}}}$ ^{[ 6 ]}

$x_{n}$ и $x_{p}$ границы области истощения. $\epsilon _{s}$ является диэлектрической постоянной полупроводника. $N_{A}$ и $N_{D}$ являются ли чистыми концентрациями донорских доноров соответственно и чистыми концентрациями донорской доноры и $q$ это заряд электрона. А $2kT/q$ Срок компенсации за существование свободных перевозчиков вблизи перекрестка от объемной области.

Уравнение Пуассона

Уравнение, которое регулирует кривизну, полученную краями полосы в области космического заряда , то есть явление изгиба группы, является уравнением Пуассона ,

$\triangledown ^{2}V=-\rho /\epsilon$

где $V$ электрический потенциал , $\rho$ местная плотность заряда и $\epsilon$ это диэлектрическая проницаемость материала. Примером его реализации можно найти в статье Википедии о ПН -соединениях .

Приложения

Электроника

Диод PN - это устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении, если приложенное напряжение ниже определенного порога. Когда передовое смещение применяется к соединению PN диода, пробел полосы в области истощения сужается. Применяемое напряжение также вводит больше носителей заряда, которые способны диффундировать через область истощения. При обратном предвзятости это вряд ли возможно, потому что полоса разрыва расширяется вместо сужения, поэтому ни один ток не может течь. Следовательно, область истощения необходима, чтобы обеспечить только одно направление тока.

опирается Полевой транзистор с металлом-оксидом-символом (MOSFET) на изгиб полосы. Когда транзистор находится в его так называемом состоянии «вне», на воротах нет напряжения, а первое перекрестное соединение PN - это обратное смещение. Потенциальный барьер слишком высок, чтобы электроны проходили, таким образом, не течет тока. Когда к воротам применяется напряжение, потенциальный разрыв уменьшается из -за изгиба приложенного полосы смещения. В результате ток будет течь. Или, другими словами, транзистор находится в своем состоянии. ^{[ 9 ]} MOSFET - не единственный тип транзистора, доступный сегодня. Еще несколько примеров- полевой транзистор с полупроводником металла (MESFET) и транзистор по полевым эффектам соединения (JFET) , оба из которых также полагаются на изгиб полосы.

Фотоэлектрические клетки (солнечные клетки) по существу являются только диодами PN, которые могут генерировать ток, когда они подвергаются воздействию солнечного света. Солнечная энергия может создать электрон-дырочную пару в области истощения. Обычно они довольно быстро рекомбинируют, прежде чем путешествовать очень далеко. Электрическое поле в области истощения разделяет электроны и отверстия, генерирующие ток, когда соединены две стороны диода PN. Фотоэлектрические ячейки являются важным поставщиком возобновляемых источников энергии . Они являются многообещающим источником надежной чистой энергии. ^{[ 10 ]}

Спектроскопия

Различные методы спектроскопии используют или могут измерить изгиб полосы:

Поверхностное фотоэлектричество - это метод спектроскопии, используемый для определения длины диффузии носителей меньшинства полупроводников. Полоса, изгибающаяся на поверхности полупроводника, приводит к области истощения с поверхностным потенциалом . Источник фотонов создает электрон-дыры глубже в материал. Затем эти электроны диффундируют на поверхность, чтобы радиато -рекомбинирование . Это приводит к изменяющемуся поверхностному потенциалу, который может быть измерен и напрямую коррелирует с длиной диффузии носителя меньшинства. ^{[ 11 ]} Это свойство полупроводника очень важно для определенной электроники, такой как фотодиоды, солнечные батареи и транзисторы.
с разрешением по времени Фотолюминесценция -это еще одна методика, используемая для измерения длины диффузии носителя меньшинства в полупроводниках. Это форма фотолюминесцентной спектроскопии, где испускаемый фотонной распад измеряется с течением времени. В фотолюминесцентной спектроскопии материал возбуждается с использованием фотонного импульса с более высокой энергией фотона , чем полосатый разрыв в материале. Материал расслабляется в своем основном состоянии при излучении фотона. Эти испускаемые фотоны измеряются, чтобы получить информацию о структуре полосы материала.
Спектроскопия фотоэмиссии с разрешением угла может использоваться для составления диаграммы электронных полос энергии кристаллических структур, таких как полупроводники. ^{[ 12 ]} Таким образом, это также может визуализировать изгиб полосы. Техника является улучшенной версией регулярной фотоэмиссии . Он основан на фотоэлектрическом эффекте . Анализируя разницу в энергии между падающими фотонами и электронами, излучаемыми твердыми из них, можно получить информацию о различиях в диапазоне энергии в твердого вещества. Измеряя под разными углами структура полосы может быть отображена, а полоса изгибается.

Смотрите также

Полевой эффект (полупроводник) - изгибание полосы из -за наличия внешнего электрического поля на вакуумной поверхности полупроводника.
Скрининг Томаса -Ферми - Особый случай теории Линдхарда , который описывает изгиб полосы, вызванную заряженным дефектом.
Квантовая емкость -изгиб полосы эффекта полевых эффектов, особенно важное для систем низкой плотности состояний.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Чжан, Чжэнь; Йейтс, Джон Т. (10 октября 2012 г.). «Изгибание полосы в полупроводниках: химические и физические последствия на поверхностях и интерфейсах». Химические обзоры . 112 (10): 5520–5551. doi : 10.1021/cr3000626 . PMID 22783915 .
^ Просто, (апрель 1938 г.). "GW Steller". Естественные науки . 26 (14): 224. Bibcode : 1938nw ..... 26..224J . Doi : 10.1007/bf01590290 . S2CID 33381617 .
^ Мотт, NF (октябрь 1938). «Обратите внимание на контакт между металлом и изолятором или полупроводником». Математические разбирательства Кембриджского философского общества . 34 (4): 568–572. Bibcode : 1938pcps ... 34..568m . doi : 10.1017/s0305004100020570 . S2CID 222602877 .
^ Brillson, LJ (2010). Поверхности и интерфейсы электронных материалов . Вайнхайм. ISBN 978-3527665723 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Цзян, Чаоран; Moniz, Savio JA; Ван, айцин; Чжан, Тао; Тан, Джунванг (2017). «Фотоэлектрохимические устройства для расщепления солнечной воды - материалы и проблемы» (PDF) . Обзоры химического общества . 46 (15): 4645–4660. doi : 10.1039/c6cs00306k . PMID 28644493 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Skromme, BJ (2003). «Связь и барьеры». Энциклопедия материалов: наука и технология : 1–12. doi : 10.1016/b0-08-043152-6/01896-9 . ISBN 9780080431529 .
^ Podrzaj, P.; Regojevic, B.; Кариз, З. (февраль 2005 г.). «Улучшенная механическая система для изучения основ динамики системы управления». IEEE транзакции на образование . 48 (1): 23–28. Bibcode : 2005itudu..48 ... 23p . doi : 10.1109/te.2004.825928 . S2CID 571150 .
^ Гриффитс, Дэвид Дж. (2017). Введение в электродинамику (четвертое изд.). Кембридж, Великобритания. ISBN 978-1-108-42041-9 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )
^ Вина, Мисра; Öztürk, Mehmet C. (2005). Руководство по электротехнике . Кембридж Массачусетс, США: Академическая пресса. С. 109–126. ISBN 9780121709600 .
^ Lehovec, K. (15 августа 1948 г.). «Фотоволтайский эффект». Физический обзор . 74 (4): 463–471. Bibcode : 1948 Phrv ... 74..463L . doi : 10.1103/physrev.74.463 .
^ Schroder, Dieter K. (2001). «Поверхностное напряжение и поверхностное фотоэлектрон: история, теория и применение». Измерение Наука Технологический 12 (3): R16 - R31. Bibcode : 2001mesct..12r..16s . doi : 10.1088/0957-0233/12/3/202 . S2CID 250913018 .
^ Hüfner, Stefan, ed. (2007). Фотоэлектронная спектроскопия очень высокого разрешения . Заметки лекции в физике. Тол. 715. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/3-540-68133-7 . ISBN 978-3-540-68130-4 Полем (требуется подписка)

[bbis-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Чжан, Чжэнь; Йейтс, Джон Т. (10 октября 2012 г.). «Изгибание полосы в полупроводниках: химические и физические последствия на поверхностях и интерфейсах». Химические обзоры . 112 (10): 5520–5551. doi : 10.1021/cr3000626 . PMID 22783915 .

[2] Просто, (апрель 1938 г.). "GW Steller". Естественные науки . 26 (14): 224. Bibcode : 1938nw ..... 26..224J . Doi : 10.1007/bf01590290 . S2CID 33381617 .

[3] Мотт, NF (октябрь 1938). «Обратите внимание на контакт между металлом и изолятором или полупроводником». Математические разбирательства Кембриджского философского общества . 34 (4): 568–572. Bibcode : 1938pcps ... 34..568m . doi : 10.1017/s0305004100020570 . S2CID 222602877 .

[4] Brillson, LJ (2010). Поверхности и интерфейсы электронных материалов . Вайнхайм. ISBN 978-3527665723 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )

[Photo-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Цзян, Чаоран; Moniz, Savio JA; Ван, айцин; Чжан, Тао; Тан, Джунванг (2017). «Фотоэлектрохимические устройства для расщепления солнечной воды - материалы и проблемы» (PDF) . Обзоры химического общества . 46 (15): 4645–4660. doi : 10.1039/c6cs00306k . PMID 28644493 .

[JaB-6] Jump up to: ^а ^{беременный} Skromme, BJ (2003). «Связь и барьеры». Энциклопедия материалов: наука и технология : 1–12. doi : 10.1016/b0-08-043152-6/01896-9 . ISBN 9780080431529 .

[7] Podrzaj, P.; Regojevic, B.; Кариз, З. (февраль 2005 г.). «Улучшенная механическая система для изучения основ динамики системы управления». IEEE транзакции на образование . 48 (1): 23–28. Bibcode : 2005itudu..48 ... 23p . doi : 10.1109/te.2004.825928 . S2CID 571150 .

[8] Гриффитс, Дэвид Дж. (2017). Введение в электродинамику (четвертое изд.). Кембридж, Великобритания. ISBN 978-1-108-42041-9 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )

[9] Вина, Мисра; Öztürk, Mehmet C. (2005). Руководство по электротехнике . Кембридж Массачусетс, США: Академическая пресса. С. 109–126. ISBN 9780121709600 .

[10] Lehovec, K. (15 августа 1948 г.). «Фотоволтайский эффект». Физический обзор . 74 (4): 463–471. Bibcode : 1948 Phrv ... 74..463L . doi : 10.1103/physrev.74.463 .

[11] Schroder, Dieter K. (2001). «Поверхностное напряжение и поверхностное фотоэлектрон: история, теория и применение». Измерение Наука Технологический 12 (3): R16 - R31. Bibcode : 2001mesct..12r..16s . doi : 10.1088/0957-0233/12/3/202 . S2CID 250913018 .

[:7-12] Hüfner, Stefan, ed. (2007). Фотоэлектронная спектроскопия очень высокого разрешения . Заметки лекции в физике. Тол. 715. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/3-540-68133-7 . ISBN 978-3-540-68130-4 Полем (требуется подписка)

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]