Запрещенная зона и ширина запрещенной зоны

Запрещенная зона и ширина запрещенной зоны.

 

 

Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещённой зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

 

Запрещенная зона

Ширина запрещенной зоны

Ширина запрещённой зоны различных материалов

 

Запрещенная зона:

Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле.

При абсолютном нуле в атоме полупроводника электроны заполняют энергетические уровни сверху вниз.  Самая верхняя полностью заполненная при абсолютном нуле температуры электронами зона называется валентной. Ближайшая к ней незаполненная или частично заполненная зона, располагающаяся сверху, называется зоной проводимости. Как правило, в рассмотрении участвуют именно эти две зоны, поскольку все более глубоко лежащие энергетические зоны полностью заполнены электронами и, следовательно, вклад в проводимость не дают (все уровни заняты, т.е. изменение энергии заряда, обусловленное приложением электрического поля, невозможно).

Упрощенная структура энергетических зон в полупроводнике будет иметь вид, представленный на Рис. 1.

Рис. 1. Зонная диаграмма полупроводника

Между запрещенной зона и зоной проводимости в полупроводнике располагается запрещенная зона.

У проводников запрещенной зоны нет.

 

Ширина запрещенной зоны:

Расстояние между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называют шириной запрещенной зоны.

При абсолютном нуле, а также при полном затемнении и не слишком сильном электрическом поле полупроводник не будет проводить электрический ток: в зоне проводимости электронов нет, а электроны заполненной валентной зоны не могут изменить свое квантовомеханическое состояние (то есть не могут упорядоченно двигаться при приложении электрического поля), поскольку все соседние уровни заняты. При повышении температуры и (или) освещении полупроводника электроны валентной зоны будут получать дополнительную энергию и переходить в зону проводимости. Вследствие таких переходов, во-первых, появятся электроны в зоне проводимости (они будут участвовать в переносе тока и обеспечивать электронную проводимость), а во-вторых, освободятся верхние уровни валентной зоны, что позволит и ее электронам участвовать в переносе тока, обеспечивая дырочную проводимость.

Ширина запрещенной зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Материал, имеющий запрещенную зону небольшой ширины, является полупроводником.

Ширину запрещённой зоны обозначают E_g (от англ.: g = gap – «промежуток», «зазор») и обычно численно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эВ) – это единица измерения энергии, используемая в физике полупроводников. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт.

Величина параметра E_g различна для разных материалов, она во многом определяет их электрические и оптические свойства. По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества разделяют на проводники – тела, где запрещённая зона отсутствует, то есть электроны могут иметь произвольную энергию, полупроводники – в этих веществах величина E_g составляет от долей эВ до 3-4 эВ и диэлектрики – с шириной запрещённой зоны более 4-5 эВ.

Граница между полупроводниками и диэлектриками условная. Разница между полупроводниками и диэлектриками заключается лишь в величине ширины запрещенной зоны.

Полупроводники с шириной запрещённой зоны менее ≈0,3 эВ принято называть узкозонными полупроводниками, полупроводники с величиной E_g более ≈3 эВ — широкозонными полупроводниками.

Величина E_g может оказаться равной нулю. При E_g =0 для возникновения электронно-дырочной пары не требуется энергия — поэтому концентрация носителей (а с ней и электропроводность вещества) оказывается отличной от нуля при сколь угодно низких температурах, как в металлах. Такие вещества (серое олово, теллурид ртути и др.) относятся к классу полуметаллов.

 

Ширина запрещённой зоны различных материалов:

Ширина запрещённой зоны различных материалов
Материал	Форма	Энергия в эВ
		0 K	300 K
Химические элементы
C (в форме алмаза)	непрямая	5,4	5,46-6,4
Si	непрямая	1,17	1,11
Ge	непрямая	0,75	0,67
Se	прямая		1,74
Типа АIVВIV
SiC 3C	непрямая		2,36
SiC 4H	непрямая		3,28
SiC 6H	непрямая		3,03
Типа 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	1,42	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
Типа 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
Типа АIVВVI
PbTe	прямая	0,19	0,31