Термодинамическое равновесие для полупроводника

Итак, в полупроводнике надо рассматривать два статистических коллектива газ электронов проводимости и газ дырок. Поскольку электрон проводимости и дырка рождаются одновременно (в паре друг с другом), плотности обоих газов одинаковы. В термодинамическом равновесии уровни Ферми обоих газов совпадают общий уровень проходит примерно посередине запрещенной зоны. Если принудительно перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости (например, облучая полупроводник светом), то можно при данной температуре увеличить плотность газа электронов проводимости и соответственно плотность дырочного газа при этом полупроводник переходит в неравновесное состояние, уровень Ферми электронов проводимости поднимается, приближаясь к зоне проводимости, а уровень Ферми дырок опускается к валентной зоне. В неравновесном полупроводнике можно создать вырожденные газы электронов проводимости и дырок, должным образом [c.144]

Концентрации носителей Па и ра называют равновесными они устанавливаются при наличии термодинамического равновесия. В таком полупроводнике скорость тепловой генерации носителей заряда (генерации за счет теплового возбуждения) равна скорости их рекомбинации. Поэтому По и ро остаются постоянными при неизменной температуре. В собственном беспримесном полупроводнике Па=Ро, носители генерируются и рекомбинируют парами. В примесных полупроводниках с донорными примесями (п-полупроводниках) По>ро, а в полупроводниках с акцепторными примесями (р-полупроводниках) п <ро, здесь наряду с парными процессами происходят также одиночные процессы генерации и рекомбинации носителей. Определяемая выражением (7.3.1) проводимость Оо называется равновесной. Она обусловливает электрический ток, возникающий в неосвещенном полупроводнике при приложении к нему раз-и сти потенциалов (так называемый темповой ток). [c.174]

При определении концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике будем считать, что механизм их образования обусловлен лишь термической ионизацией за счет энергии тепловых колебаний решетки. Образовавшиеся при этом свободные носители заряда находятся в термодинамическом равновесии с решеткой. Такие носители получили название равновесных или тепловых. Их концентрации обычно обозначаются через Ло и р (для электронов и дырок соответственно). [c.58]

Свободные носители заряда в полупроводнике, для образования (генерации) которых требуется затрата энергии, могут возникать вследствие различных причин — термической ионизации, ионизации светом и других внешних воздействий. При тепловом возбуждении, как указывалось в 8.2, имеет место термодинамическое равновесие между свободными носителями заряда и кристаллической решеткой. [c.61]

При образовании свободных носителей заряда в полупроводнике за счет внешних воздействий, например света, энергия свободных носителей в момент их образования может сильно отличаться от средней тепловой энергии решетки. Это означает отсутствие термодинамического равновесия между решеткой и образовавшимися свободными носителями. Такие носители заряда называют неравновесными. Однако следует иметь в виду, что термодинамическое равновесие устанавливается за очень короткий промежуток времени порядка 10" с и неравновесные носители заряда в дальнейшем не отличаются от равновесных. [c.61]

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИМЕРЫ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС СТАТИСТИКА НОСИТЕЛЕЙ ТОКА ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ СОБСТВЕННЫЕ И НЕСОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ЗАПОЛНЕНИЕ ПРИМЕСНЫХ УРОВНЕЙ ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ РАВНОВЕСНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРОВОДИМОСТЬ ЗА СЧЕТ ПРИМЕСНОЙ ЗОНЫ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В НЕВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ [c.184]

Чтобы полностью описать концентрации носителей в несобственных полупроводниках, необходимо определить Ап или [х. Для этого нужно исследовать природу электронных уровней, обусловленных примесями, и статистическую механику заполнения этих уровней при термодинамическом равновесии. [c.199]

Рассмотрим полупроводник, в котором на единицу объема приходится Nd донорных и Na акцепторных примесей. Чтобы определить концентрации носителей, мы должны обобщить условие П(. = р [см. (28.18)], которое позволило нам найти эти концентрации в случае собственного (чистого) полупроводника. Мы можем сделать это, рассмотрев для начала электронную конфигурацию при Г = 0. Пусть Nd Na [случай Na С Na рассматривается аналогично и ведет к тому же результату (28.35)1. Тогда в единице объема полупроводника Na ИЗ Nd электронов, отданных донорными примесями, могут перейти на акцепторные уровни ). Это приводит к электронной конфигурации основного состояния, в которой заполнены акцепторные уровни, уровни валентной зоны и Nd — Na донорных уровней, а зона проводимости пуста. В случае термодинамического равновесия при температуре Т электроны перераспределятся между уровнями таким образом, что число электронов в зоне проводимости и на донорных уровнях станет больше, чем при Т = 0. Поскольку общее число электронов не меняется, увеличение их числа в зоне проводимости и на донорных уровнях в точности равно числу пустых уровней (т. е. дырок), + ра в валентной зоне и среди акцепторных уровней [c.205]

Изложено термодинамическое обоснование возможности ретроградного распада с выделением жидкой фазы. Приведены оригинальные данные о прецизионном построении кривых ретроградного солидуса в важнейших полупроводниковых системах с участием германия, кремния, арсенида индия и др. Рассмотрены кинетика распада и структурный механизм этого процесса. Обосновано использование диаграммы фазовых равновесий при выборе уровня легирования полупроводников и режимов их термической обработки. Описаны возможности направленного изменения свойств материалов, обеспечивающих надежную работу электронных устройств. [c.51]

Пусть при некоторой установившейся температуре T- onst полупроводник находится, в состоянии термодинамического равновесия. Это состояние характеризуется равенством скоростей генерации и рекомбинации Up, .. [c.51]

РЕКОМБИНАЦИЯ электрона и дырки — исчезновение пары электрон проводи мости—дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону полупроводника РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ—процесс образования и роста структурно более совершенных кристаллических зерен поликристалла за счет менее совершенных зерен той же фазы РЕЛАКСАЦИЯ <есть процесс установления термодинамического равновесия в макроскопической физической системе напряжений — происходящее с течением времени самопроизвольное уменьшение механических напряжений в деформированных телах, не сопровождающееся изменением деформации) РЕНТГЕНОГРАФИЯ—совокупность методов исследования фазового состава и строения вещества, основанных на изучении рассеяния рентгеновского излучения РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ — совокупность методов изучения поверхности твердых тел по отражению ими светового излучения [c.272]

Представление о квазиравновесии. Во многих практически важных случаях (например, при освещении кристалла или пропускании по нему электрического тока) термодинамическое равновесие в твердом теле нарушается. При этом концентрации носителей заряда в объеме и ОПЗ полупроводника могут существенно отличаться от равновесных. Для того, чтобы найти зависимости различных характеристик ОПЗ от расстояния до поверхности г, нужно решать совместно уравнение Пуассона (1.1) и уравнения непрерывности, описывающие темпы изменения концентраций свободных носителей заряда за счет их генерации, рекомбинации, диффузии и дрейфа. Необходимо при этом учесть зависимость темпа поверхностной рекомбинации от по-тенциата поверхности (см. раздел 3.7). В общем случае эта задача очень сложна, поэтому, как правило, ищут обходные пути ее решения. [c.28]

В сильно неравновесных условиях формирования структуры возникновение метастабильных нанометрических заряженных кластеров может оказаться вполне реальным процессом. В ряде случаев генезис поверхности протекает при сильном нарушении термодинамического равновесия, как между полупроводником и окружающей средой, так и между формирующейся поверхностной фазой и объемом кристалла. Эти процессы часто протекают при высоких температурах и значительных градиентах концентрации реагирующих ве-шеств. В этой ситуации часть дефектов в силу синергетических принципов может самоорганизовываться в ассоциаты и метастабильные кластеры. При быстрой стабилизации системы — резком охлаждении, затвердевании и т.д. часть дефектов "замораживается" и, находясь в достаточно глубоких потенциальных ямах, обладает малой подвижностью в охлажденной матрице. Они могут длительное время существовать как метастабильные состояния, в том числе и в заряженной форме. Такие дефекты часто называют "закалочными". Это могут быть кластеры гидроксильных групп на поверхностях оксидов, нанометрических фрагментов 81 и 8102 на межфазной границе [c.204]

Если, с другой стороны, уровень валентного электрона попадает в запрещенную зону полупроводника, то положение усложняется. Переход электрона может произойти либо посредством заброса на пустой уровень в зоне проводимости, либо посредством перехода дырки в валентную зону ни один из этих процессов не имеет такой большой вероятности, как изоэнергетиче-ский переход. Время жизни адсорбированного атома на поверхности имеет в этом случае решающее значение, поскольку только в том случае, когда оно превышает время установления термодинамического равновесия, имеется заметная вероятность, что атом покинет поверхность в виде иона. Если время жизни слишком мало для установления термодинамического равновесия, то вероятность ионизации ничтожно мала. Кроме того, нет полной уверенности в возможности адекватным образом описать процесс ионизации какой-либо модификацией уравнения Саха— Ленгмюра. В этой области еще предстоит большая экспериментальная и теоретическая работа. [c.219]

В гл. 1 был рассмотрен / -я-переход, в области объемного заряда которого не происходит ни генерации носителей заряда, ни их рекомбинации. Рекомбинационно-ге-нерационные процессы рассматривались только в базовой области вентиля. При этом предполагалось, что тепловая генерация носителей заряда происходит за счет непосредственного перехода электрона из валентных связей в свободное состояние, а рекомбинация — за счет возвращения электрона в валентные связи. Как уже говорилось, рекомбинационно-генерационные процессы могут осуществляться с помощью примесных атомов. Возбужденный электрон в таком случае переходит сначала из валентной связи на такой атом, а затем с этого атома в свободное состояние. Аналогичным образом происходит рекомбинация. Такие рекомбинационно-генерационные центры называются центрами захвата или ловушками . В кристалле полупроводника может быть несколько типов таких центров, соответствующих различным энергиям ионизации. Для упрощения рассмотрим идеализо-ванную модель р- -нерехода, в котором имеются центры захвата только одного типа, лежащие на одном энергетическом уровне. Такие центры могут захватывать электроны из валентных связей, что приводит к появлению дырки, и отдавать обратно захваченные электроны, что приводит к исчезновению дырки. Захваченные электроны могут переходить в свободное состояние, что приводит к появлению свободного электрона, и свободные электроны могут возвращаться в центр захвата, т. е. происходит исчезновение свободного электрона. В базовой области вентиля, где нет электрического поля, все четыре процесса находятся в состоянии термодинамического равновесия. Количество электронов и дырок в свободном со- [c.47]

Поверхность полупроводника. Под поверхностью П. понимают неск. атомных слоёв вблизи границы П. Она обладает свойствами, отличающимися от обьёмных. Наличие поверхности нарушает траисляц. симметрию кристалла и приводит к поверхностным состояниям для электронов, а также к особым эл.-магн. волнам (поверхяостные поляритоны), колебат. и спиновым волнам. Благодаря своей хим. активности поверхность, как правило, покрыта макроскопич. слоем посторонних ЯТО.МОВ пли молекул, адсорбируемых из окружающей среды. Эти атомы и определяют физ. свойства поверхности, маскируя состояния, присущие чистой поверхности. Развитие техники сверхвысокого вакуума позволило получать и сохранять в течение неск. часов атомарно чистую поверхность. Исследования чистой поверхности методом дифракции медленных электронов показали, что кристаллографии, плоскости могут смещаться как целое в направлении, перпендикулярном к поверхности. В зависимости от ориентации поверхности по отношению к к ристал л о-графич. осям это смещение может быть направлено внутрь П. или наружу. Кроме того, атомы приповерхностного слоя изменяют положение равновесия в плоскости, перпендикулярной поверхности, по сравнению с пу положениями в такой же плоскости, находящейся далеко от поверхности реконструкция поверхности). При этом возникают упорядоченные двумерные структуры с симметрией ниже объёмной или не полностью упорядоченные структуры. Первые являются термодинамически равновесными, и их симметрия зависит от ориентации поверхности. При изменении темп-ры могут происходить фазовые переходы, при к-рых симметрия структур изменяется (см. Поверхность). [c.43]

Следует также отметить, что поверхность имеет свои специфические особенности не только на уровне атомарной, но и электронной подсистемы [385-391]. Последнее особенно ярко проявляется на полупроводниках и диэлектриках и выражается в наличии дебаевского радиуса экранирования, обусловленного энергетическими уровнями Тамма или Шокли [385-387], а также уровнями, связанными с примесями, дефектами и адсорбционными процессами на поверхности кристалла [388—391]. В полупроводниках с концентрацией носителей п = 10 см глубина дебаевского радиуса Lp — 10 см, при этом = (е kTjlne n) , где е — диэлектрическая постоянная кристалла, е — заряд электрона. М.А. Кривоглаз [427] показал, что изменение потенциала и концентрации дефектов (примесей, вэ, . кий и пр.) в приповерхностном слое толщиной порядка дебаевского радиуса оказывает весьма существенное влияние на некоторые термодинамические и кинетические свойства кристаллов и тонких пленок (изменение термодинамического потенциала, растворимость примесей, скорость диффузии, температурный сдвиг кривых фазового равновесия и др.). [c.133]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...