Zóna diagram

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. szeptember 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

A sávdiagram az energiasávok élei pozícióinak koordinátafüggésének grafikus ábrázolása félvezető vagy dielektromos anyagokat tartalmazó rendszerekben . A derékszögű koordinátát az abszcissza mentén , a vegyértéksáv tetejének és a vezetési sáv alsó részének energiáit pedig az ordináta mentén ábrázoljuk . Lehet "számokban" építeni, vagy demonstrációs és oktatási céllal a lépték betartása nélkül. Ezenkívül gyakran ábrázolják a Fermi-energiát , a vákuumszint és más jelentős energiamennyiségek profiljait, valamint az elektronok , lyukak , szennyező atomok, hibák vagy bármely folyamat sémáinak segédképeit. $x$ $E_{v}$ $E_{c}$ $E_F$

A zónadiagramok illusztrációként szolgálnak a félvezető rendszerben alkalmazott feszültség eloszlásának természetére, valamint az elektromos töltésátvitel típusaira ( diffúzió , sodródás, alagúthatás , fotogerjesztés stb.).

Általános építési szabályok

A sávdiagramok készítésének szabályait a félvezető eszközök fizikája és a szilárdtestelektronika tankönyvei tárgyalják [1] [2] .

A homogén félvezető sávdiagramja két párhuzamos vonalból áll, amelyek megfelelnek a és -nek (két anyag esetében lásd az ábra tetején). A vonalak közötti energiatávolság egyenlő a sávszélességgel . A fenti és lenti állapotok megengedettek. Szintén látható az elektronaffinitás (az energiák és a vákuumszint közötti különbség ) és a munkafüggvény (különbség - ), amelyet egy adott anyag esetében az adalékanyag koncentrációja szab meg. $E_{c}$ $E_{v}$ $Például}$ $E_{c}$ $E_{v}$ $\chi$ $E_{c}$ ${\displaystyle E_{vac))$ $\varphi$ ${\displaystyle E_{vac))$ $E_F$

Ha feszültséget alkalmazunk egy nagy ellenállású anyagrétegre, például egy dielektrikumra, akkor a diagram lejt. Ha azonban az ellenállás kicsi, akkor a feszültség nagy része az érintkezőknél, vagy az anyagok kombinációit tartalmazó rendszerekben a határokon leesik. A meredekség ( az elektrontöltés) egyenlő az elektromos tér nagyságával . $dE_{c}/qdx$ $q$

Az anyagok találkozásánál a következő szabályokat kell betartani [3] [4] :

$Például}$ és az anyagban a kötésig változatlanok; $\chi$
a bal és jobb oldali különbség egyenlő a külső feszültséggel; $E_F$
a vákuumszint nem ugrik át a csomópontban.

Ezen feltételek biztosításához szükséges a zónák hajlítása a hézagtól balra és jobbra, valamint a zónák éleinek áttörése: , (lásd az ábra alsó részét). Ha a bal és a jobb oldal ugyanaz az anyag, különböző szennyeződés-koncentrációkkal, akkor nem lesznek hézagok. A csomóponthoz közeli zónák szélei közötti energiájú behúzás vastagságában különbözik az azonos behúzástól. A hajlítás irányát a feszültség és az elektronaffinitás határozza meg, a pontos hajlítási profilt pedig a Poisson-egyenlet megoldásával számítjuk ki (általában közel áll a parabolához). $\Delta E_{\rm {c}}=\chi _{1}-\chi _{2}\,$ $\Delta E_{\rm {v}}=-(\chi _{\rm {1}}+E_{\rm {g1}})+(\chi _{\rm {2}}+E_ {\rm {g2)))\,$ $E_F$

Példák megjegyzésekkel

Az alábbiakban néhány példa a valós rendszerekre: pn átmenet (azonos anyag két, különböző típusú adalékolású régiójának csatlakozása), fém-félvezető érintkező ( Schottky-gát ), félvezető heteroátkötés (hasonló az előzőben bemutatotthoz szakasz) és a MIM (fém-szigetelő) rendszer -fém).

Ha nincs feszültség, egyetlen Fermi szint van az egész rendszerben . Ha alkalmazzuk, akkor külön kvázi-Fermi szintek keletkeznek az elektronok és lyukak számára, amelyek a csatlakozási tartományon kívül egyesülnek. A kvázi szintek pontos koordinátafüggései kiszámíthatók. $E_F$

Pn átmenet esetén a , mellett színnel jelöljük a sávhajlítási tartományt, amelyet kimerültnek nevezünk. A paraméter a beépített potenciál, amely külső feszültség alkalmazása nélkül jelentkezik. A feltöltött (elektron-elfogadott) akceptorok és a feltöltött (elektronvesztett) donorok a kimerülési régióban szintén vázlatosan láthatók . A diagram nullától eltérő feszültség mellett a kvázi-Fermi szintek profiljait is mutatja , . $E_{c}$ $E_{v}$ $\varphi _{B}$ $V_{R}$ ${\displaystyle E_{Fn))$ ${\displaystyle E_{Fp))$

A Schottky-érintkező esetében a jelölésnek más jelentése van: ez a vákuumszint ugrásmentessége miatt kialakult sorompó magassága. A félvezető adalékolási foka nem befolyásolja , de befolyásolja a félvezető sávjainak hajlításának nagyságát és meredekségét. A szürke szín intenzitása a megfelelő energiájú állapotok elektronok általi elfoglalását jelzi: alatta az elfoglalás közel 100%, a Fermi-szint felett pedig nullára megy. Fémnél a sávok szélei nem jelennek meg (nincs sávrés a fémben, és bármilyen energiájú állapot megengedett). $\Phi _{B}$ $\Phi _{B}$ $E_F$

Az állapotok elektronok általi elfoglalása szintén a heterojunkcióra utal. Ennek a diagramnak egy fontos részlete, hogy a kereszteződésnél a meredekségek arányának meg kell felelnie a közeg dielektromos permittivitásának fordított arányának a Maxwell-egyenletekből adódó peremfeltételek miatt . $E_{c}(x)$

Az MDM rendszer diagramjai (a fém munkafunkciója a bal és a jobb oldalon megegyezik) szemlélteti azt a helyzetet, amikor a vezetési sáv meredeksége lép fel feszültség hatására (a vegyértéksáv itt nem látható, hanem az ábra alatt és párhuzamosan dől ). Ezenkívül a nyíl jelzi az alagút, majd az elektronok relaxációjának irányát (az ilyen segédinformációkat gyakran ábrázolják az ilyen diagramokon). Az árnyékolást felül lezáró vízszintes vonalak a Fermi-szintek a dielektromos gáttól balra és jobbra. $E_{c}(x)$

A fenti ábrán a pn átmenetnél feltételeztük, hogy a közeg ellenállása nem túl nagy. Ellenkező esetben a régiók találkozási pontjától messze balra és jobbra nem alakulhatnának ki a zónák vízszintes szakaszai, és a helyzet az MDM rendszernél bemutatotthoz hasonló helyzetté alakulna át. $V_{R}\neq 0$

Az összes bemutatott diagram sematikusan készült. További jellemző, hogy a szennyeződések koncentrációjának növekedése mindig a hajlítási tartományok szűküléséhez és egyidejűleg a térerősség növekedéséhez vezet a csomópontokban.

Különbség a zóna szerkezetétől

Néha fogalmi zavar van a sávdiagram és a sávstruktúra között , különösen azért, mert állandóan találkozunk olyan egészen helyes kifejezésekkel, mint az "ilyen és ilyen szerkezet sávdiagramja".

A különbség az, hogy ha egy koordinátát vízszintesen ábrázolunk a sávdiagramon, akkor a sávszerkezet ábrázolásakor az argumentum az elektronhullám vektor , vagy inkább annak egyes komponensei, mondjuk . A sávszerkezetről készült képek (lásd a példát ) célja, hogy egy adott anyaggal kapcsolatban megmutassák, hogyan viszonyul egy elektron energiája hullámvektorához a feletti vagy alatti energiatartományokban . A sávdiagramokkal való munka során csak azt érthetjük meg, hogy ezek a tartományok általában "engedélyezettek" - részletezés nélkül. $\vec{k}$ $k_{x}$ $E$ $\vec{k}$ $E_{c}$ $E_{v}$

Jegyzetek

↑ V. N. Glazkov. Érintkezési jelenségek a félvezetőkben. Félvezető érintkezők energiadiagramjainak készítése (jegyzetek az általános fizika előadásaihoz) . MIPT (2018). Letöltve: 2021. szeptember 10. Az eredetiből archiválva : 2022. január 25. (határozatlan)
↑ V. A. Gurtov. Szilárdtest elektronika . PetrSU (2005). - lásd Ch. 2. Letöltve: 2021. szeptember 10. Az eredetiből archiválva : 2018. május 16. (határozatlan)
↑ Borisenko, V.E. és Ossicini, S. (2004). Mi a mi a nanovilágban: Kézikönyv a nanotudományról és a nanotechnológiáról . Németország: Wiley-VCH.
↑ Anderson, R. L. (1960). „Germánium-gallium-arzenid heterojunkciók [Levél a szerkesztőnek]”. IBM Journal of Research and Development . 4 (3): 283-287. DOI : 10.1147/rd.43.0283 . ISSN 0018-8646 .