Запрещённая зона

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Ширина запрещённой зоны различных материалов
Материал Форма Энергия в эВ
0 K 300 K
Элемент
C (мод. Алмаз) непрямая 5,4 5,46–6,4
Si непрямая 1,17 1,11
Ge непрямая 0,75 0,67
Se прямая 1,74
АIVВIV
SiC 3C непрямая 2,36
SiC 4H непрямая 3,28
SiC 6H непрямая 3,03
АIIIВV
InP прямая 1,42 1,27
InAs прямая 0,43 0,355
InSb прямая 0,23 0,17
InN прямая 0,7
InxGa1-xN прямая 0,7–3,37
GaN прямая 3,37
GaP 3C непрямая 2,26
GaSb прямая 0,81 0,69
GaAs прямая 1,52 1,42
AlxGa1-xAs x<0,4 прямая,
x>0,4 непрямая
1,42–2,16
AlAs непрямая 2,16
AlSb непрямая 1,65 1,58
AlN 6,2
АIIВVI
TiO2 3,03 3,2
ZnO прямая 3,436 3,37
ZnS 3,56
ZnSe прямая 2,70
CdS 2,42
CdSe 1,74
CdTe прямая 1,45
CdS 2,4

Запрещённая зона — область значений энергии, обладание которыми электроном в идеальном (бездефектном) кристалле крайне маловероятно.

Основные сведения[править | править исходный текст]

Запрещенная зона.jpg

В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. В этом случае шириной запрещённой зоны (см. рисунок) называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны.

Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

Ширина запрещённой зоны[править | править исходный текст]

Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.

Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах, поскольку именно она определяет энергию испускаемых фотонов. Для изготовления светодиодов и лазеров используются прямозонные полупроводники. В прямозонных полупроводниках экстремумы зон находятся при одном и том же значении волнового вектора, и генерация света происходит с большей вероятностью. В непрямозонных полупроводниках потолок валентной зоны и дно зоны проводимости разнесены в пространстве волновых векторов, для выполнения закона сохранения импульса нужно ещё испустить фонон с большим квазиимпульсом, и поэтому вероятность излучательной рекомбинации существенно ниже.

Ширина запрещённой зоны (минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости) составляет от нескольких сотых до нескольких электрон-вольт для полупроводников и свыше 6 эВ для диэлектриков. Полупроводники с шириной запрещённой зоны менее ~0.3 эВ называют узкозонными полупроводниками, а полупроводники с шириной запрещённой зоны более ~3 эВ — широкозонными полупроводниками.

E_g не обязательно величина строго положительная. Она может оказаться и равной нулю, или даже отрицательной. При E_g = 0 зоны проводимости и валентная смыкаются в точке p = 0, и для возникновения пары свободных носителей заряда тепловая активация не требуется. Соответственно концентрация носителей (а с ней и электропроводность вещества) оказывается отличной от нуля при сколь угодно низких температурах, как в металлах. Поэтому такие вещества относят к полуметаллам. К числу их относится, например, серое олово. При E_g < 0 валентная зона и зона проводимости перекрываются. Пока это перекрытие не слишком велико, рассматриваемое вещество также оказывается полуметаллом. Видимо, так обстоит дело в теллуриде и селениде ртути, а также в ряде других соединений.[1]

Прямые и непрямые переходы[править | править исходный текст]

Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса (прямой переход), называются прямозонными.

Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса (непрямой переход), называются непрямозонными. При этом, в процессе поглощения энергии, кроме электрона и фотона, должна участвовать ещё и третья частица (например, фонон), которая заберёт часть импульса на себя.

Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса. При излучении или поглощении фотона при таких переходах общий импульс системы электрон-фотон сохраняется согласно закону сохранения импульса.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников М.:"Наука" 1990 г. - С.129

Источники[править | править исходный текст]

  • А Н. Игнатов - «Оптоэлектронные приборы и устройства», ЭКОТРЕНДЗ, Москва 2006