Запрещенная зона в диэлектриках

Электропроводность диэлектриков в отличие от полупроводников чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках АЯ >кГ и лишь ничтожное количество [c.98]

Фиг. 13. Относительное расположение энергии Ферми и запрещенной энергетической зоны в диэлектрике и в проводнике.

Поскольку ширина запрещенной зоны у диэлектриков большая (см. рис. 3.7), то при комнатной и более низких температурах электроны практически не попадают из валентной зоны в зону проводимости. Концентрация свободных носителей в диэлектрике исключительно мала и собственная проводимость ничтожна. Поэтому электронная проводимость (при участии как электронов, так и дырок, учитывая их природу) в диэлектрике может возникнуть лишь при наличии примеси донорного или акцепторного типа, создающей разрешенные примесные уровни в запрещенной зОне. В связи с этим для электроизоляционных материалов так важна химическая чистота. Для различных диэлектриков электронная проводимость колеблется от 10 ° до 10 (Ом см) . Она возникает в диэлектриках не только за счет теплового воздействия, но и при облучении светом с соответствующей длиной волны, быстрыми частицами, при приложении сильных электрических полей. [c.251]

В отличие от металлов в полупроводниках и диэлектриках также возникает так называемый внутренний фотоэффект, состояш,ий в возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для внутреннего фотоэффекта энергия поглощенного светового кванта не должна быть меньше ширины запрещенной зоны (разность энергии между нижней границей зоны проводимости и верхней границей валентной зоны). [c.345]

Если ширина запрещенной зоны меньше 2—3 эВ, то кристалл называют полупроводником. В полупроводниках за счет тепловой энергии квТ заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную зону, называемую зоной проводимости. При очень низких температурах любой полупроводник становится хорошим диэлектриком. [c.230]

В предыдущей главе было отмечено, что к диэлектрикам относят твердые тела, у которых ширина запрещенной зоны превышает 2—3 эВ. Ясно, что в них при комнатной и более низкой температурах заброс электронов из валентной зоны в зону проводимости практически отсутствует, т. е. концентрация свободных носителей в диэлектрике исключительно мала. Поэтому при указанных усло- [c.271]

Экситонное поглощение. До сих пор мы рассматривали поглощение света, приводящее к образованию свободных электронов и дырок. Однако возможен и другой механизм поглощения, при котором электрон валентной зоны переводится в возбужденное состояние, но остается связанным с образовавшейся дыркой в водородоподобном состоянии. Энергия образования такого возбужденного состояния, называемого экситоном, меньше ширины запрещенной зоны, поскольку последняя есть не что иное, как минимальная энергия, требуемая для создания разделенной пары. Экситон может перемещаться в кристалле, но фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся вместе. Экситоны могут достаточно легко возникать в диэлектриках, так как D них кулоновское притяжение электрона и дырки значительно. В полупроводниках это притяжение мало и поэтому энергия связи экситона также мала. Вследствие этого экситонные орбиты охватывают несколько элементарных ячеек кристалла (радиус орбиты -"15 нм). В металлах экситонное поглощение очень маловероятно. [c.310]

Примесное поглощение наблюдается в полупроводниках и диэлектриках, содержащих примесные атомы. В этом случае поглощение света связано с возбуждением примесных центров или с их ионизацией. Например, в материале л-типа электроны с донорных уровней могут быть возбуждены в зону проводимости. Если доноры (или акцепторы) вносят в запрещенную зону мелкие уровни, то наблюдать примесное поглощение можно лишь при достаточно низких температурах. Действительно, в области высоких температур все эти уровни ионизованы за счет термического возбуждения. Так как энергия ионизации примесных уровней меньше, чем энергия, требуемая для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то полосы примесного поглощения лежат за краем собственного поглощения. [c.312]

Поглощение света кристаллами определяет окраску последних. Например, многие диэлектрики при комнатной температуре оптически прозрачны. Эта прозрачность обусловлена отсутствием в них электронных или колебательных переходов в видимой области спектра. Видимая область простирается от 740 до 360 нм, что соответствует интервалу энергий от 1,7 до 3,5 эВ. Этой энергии излучения недостаточно для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости (если ширина запрещенной зоны больше 3,5 эВ). Так, например, чистые кристаллы алмаза, имеющие ширину запрещенной зоны 5.2 эВ, являются прозрачными. Однако 312 [c.312]

Иное дело в случае, изображенном на рис. 6.11, б. Если ширина запрещенной зоны Af порядка (или менее) нескольких электрон-вольт, то за счет теплового возбуждения часть электронов валентной зоны совершает квантовый переход в зону проводимости чем выше температура, тем чаще происходят такие переходы. В результате возникают электроны в ранее пустовавшей зоне проводимости проводящие свойства кристалла радикально изменяются — диэлектрик превращается в полупроводник. Число электронов в зоне проводимости существенно зависит от температуры. Обычно оно таково, что газ электронов проводимости можно считать невырожденным, зависимость v(e) для него описывается кривой в на рис. 6.7. Одновременно с появлением электронов в зоне проводимости возникают свободные состояния в валентной зоне иначе говоря, возникают дырки. Газ дырок, как и газ электронов проводимости, является обычно невырожденным. Заметим, что понижение температуры не приводит к вырождению этих газов, так как с понижением температуры уменьшается число электронов в зоне проводимости и соответственно дырок в валентной зоне при абсолютном нуле полупроводник превратится в диэлектрик. В переносе тока в полупроводнике участвуют как электроны проводимости, так и дырки. [c.144]

Диэлектрик — твердое тело с низкой электропроводимостью, концентрация электронов проводимости в котором мала при всех температурах, что обусловлено большой шириной запрещенной зоны. [c.280]

Энергетические зонные диаграммы металла, полупроводника и диэлектрика изображены на рис. 3.3, а-в. Верхняя разрешенная зона называется свободной или зоной проводимости, а расположенная непосредственно под ней разрешенная зона - валентной зоной. При температуре Т=0 К валентная зона всегда полностью заполнена электронами, зона же проводимости может быть заполнена только в нижней части в металлах или пустой — в полупроводниках и диэлектриках, различие между которыми состоит лишь в значительно большей ширине запрещенной зоны последних. На рис. 3.3 обозначено IV,. - нижняя граница зоны проводимости, - верхняя граница валентной зоны, Жо - ширина запрещенной зоны, отделяющей свободную зону от валентной в полупроводниках и диэлектриках. [c.48]

Упругая связь зарядов в атомах и молекулах диэлектрика обусловливает механизм электрического смещения и поляризации его под воздействием электрического поля. Диэлектриками являются все металлоиды, у которых ширина запрещенной зоны более 3 5й., [c.5]

Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается. [c.13]

Для полупроводника или диэлектрика (рис. 8.2) термодинамическая работа выхода не соответствует работе выхода какого-либо реального электрона, если уровень Ферми лежит в запрещенной зоне и не совпадает ни с каким уровнем примеси. [c.209]

Диэлектрики в отличие от полупроводников имеют более широкую запрещенную зону (до 7—10 эВ). Поэтому при обычных температурах они обладают очень низкой концентрацией свободных носителей заряда, обусловливающей чрезвычайно малую их электропроводность. Это позволяет использовать диэлектрические пленки в качестве изолирующих прокладок между металлами или металлами и полупроводниками в тонкопленочных и интегральных схемах. [c.271]

Приближенная количественная оценка показывает, что в диэлектрике с шириной запрещенной зоны 3 эВ концентрация свободных носителей заряда при комнатной температуре должна составлять j 2 10 м . При подвижности носителей Ыр 10 м /(В с) (100 см /(В с)) удельная электропроводность такого диэлектрика должна быть порядка 7 10 Ом х X м" (7-10 Oм см ). В действительности столь низкая электропроводность в диэлектриках не наблюдается из-за наличия в них примесей и дефектов, создающих энергетические уровни в запрещенной зоне. Концентрация свободных носителей заряда в таких диэлектриках определяется фактически количеством и характером расположения донорных и акцепторных уровней в запрещенной зоне. У контакта же с металлом концентрация свободных носителей может существенно отличаться от концентрации в толще диэлектрика вследствие образования здесь слоев обогащения или обеднения. С подобным явлением мы уже встречались в гл. 8 при рассмотрении контакта металл — полупроводник. [c.272]

Диэлектрик с ловушками. В запрещенной зоне диэлектрика часто существуют локальные уровни, созданные примесными атомами или дефектами решетки, которые могут захватывать электроны, инжектированные в пленку, и удерживать их там до тех пор, пока они не будут выброшены в зону проводимости за счет тепловой энергии кристалла. Если через б обозначить отношение времени пребывания электронов в зоне проводимости, когда они могут участвовать в формировании тока, к полному времени пребывания их в диэлектрике, то силу тока в диэлектрике при наличии ловушек можно определить, умножив (10.14) на б [c.281]

Ширина запрещенной зоны определяет электрическую проводимость полупроводников. Для химически чистого германия ширина запрещенной зоны равна 1,2-10 Дж. В алмазе она столь велика, что по электрической проводимости он близок к диэлектрикам. Серое олово по электрической проводимости близко к металлам, так как запрещенная зона мала. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещенной зоны и изменяют число электронов проводимости. [c.571]

Кристаллы с четным числом электронов на узел кристаллической решетки являются диэлектриками или полупроводниками (см. рис. 1.5,6) в них зоны в основном состоянии Т=0 К) либо полностью заполнены, либо пусты. В этом случае электрическое поле не может изменить энергии электронов в заполненной зоне (все уровни заняты), а в пустой зоне нет носителей заряда. Вследствие этого при Г->-0 К в диэлектриках и полупроводниках а->0. Верхнюю заполненную зону (валентную) и ближайшую пустую зону (зону проводимости) разделяет энергетическая щель (запрещенная зона) ДЦ7 (см. рис. 1.4 н 1.5,6). Поверхность Ферми в кристаллах с энергетической щелью в электронном спектре отсутствует, но середина этой щели (при отсутствии примесей и локальных уровней) называется уровнем Ферми Го (см. рис. 1.5,6). Для возбуждения электропроводности в этих кристаллах необходимо, чтобы за счет тепловых колебаний или других энергетических факторов частично освободилась валентная зона (дырочный механизм электропроводности) или частично заселилась электронами зона проводимости (электронный механизм). [c.14]

Диэлектрики и полупроводники качественно подобны и те и другие имеют энергетическую щель в спектре электронных состояний. Однако в полупроводниках эта щель (запрещенная зона) гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников заключена в широком интервале, разделяющем проводимость металлов и диэлектриков. Например, для кремния при 300 К а=5-10 См/м, а для германия а=2,5 См/м, что в 10 —10 раз превышает проводимость диэлектриков и в то же время в 10 —10 раз уступает проводимости металлов. Зависимость о Т) полупроводников лишь в исключительных случаях и в небольшом температурном интервале может носить металлический характер как правило, и в полупроводниках, и в диэлектриках температурные зависимости проводимости подобны. Ширина энергетической щели в германии равна 0,72 эВ, а в кремнии 1,12 эВ, в то время как в алмазе — диэлектрике е такой же кристаллической структурой — запрещенная зона равна 7 эВ. Таким образом, с точки зрения зонной теории полупроводники принципиально отличаются от металлов наличием энергетической щели, в то время ак между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Считается, что при Д < 2—3 эВ кристалл можно отнести к полупроводникам, а при больших — к диэлектрикам. [c.16]

Количественное различие в ширине запрещенной зоны и величине проводимости приводит к существенной разнице в оптических, магнитных и электрических свойствах диэлектриков и полупроводников. В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и характеризуются почти металлическим блеском. Причина в том, что узкая энергетическая щель полупроводников позволяет световым квантам с энергией около 3 эВ возбуждать свободные электроны, которые и приводят (как в металлах) к отражению света. В диэлектриках такое отражение происходит в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. [c.17]

К диэлектрикам обычно относят такие кристаллы, в которых величина запрещенной зоны больше 2—3 эВ. Естественно, что термическая активация (генерация) собственных носителей при нормальных условиях, т. е. при температуре около 300 К, не может привести в случае столь широкой запрещенной зоны к заметной собственной электропроводности. Поэтому при нормальных и низких температурах электронная проводимость диэлектриков всегда носит примесный характер. [c.43]

Для того чтобы кристалл был диэлектриком, уровень Ферми должен оказываться в запрещенной зоне для всех значений к. Далее, для большинства диэлектриков имеется широкая, порядка нескольких электрон-вольт, энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости. Если энергетическая щель узкая, так что электроны могут при тепловом возбуждении преодолевать ее непосредственно или при помощи примесей (электроны могут занимать энергетические уровни примесных атомов внутри щели) и, [c.303]

Электропроводность диэлектриков в отличие от полупроводников чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках AW kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с кТ, Например, в кристалле Na l = 6 эВ, а энергия [c.123]

Энергетическая щель. Энергетическая щель в сверхпроводниках имеет совершенно другую природу, чем запрещенная зона в диэлектриках ). Аргумент в экспоненциальной функции, описывающей температурную зависимость теплоемкости, позволяет определить величину полущирины энергетической щели ). На рис. 12.10,6 видно, что теплоемкость галлия изменяется по закону ехр(—Д/АвТ ), где Д ХЛквТс. Таким образом, щирина щели [c.431]

В области основного поглощения исследуется и ряд других интересных явлений,. в частности рентгеновский экситоы. Существование рентгеновского экситона, т. е. экситона, у которого дырка находится на внутренней оболочке, проявляется в подобии оптических спектров переходов из валентной зоны и переходов с внутреш ей оболочки той же симметрии. Сложная структура оптических спектров, связанных с переходами с внутренних оболочек, исследовалась, в частности, в щелочногалоидных кристаллах (рис. 48). Валентные зоны в диэлектриках относительно плоские, и их ширина меньше ширины запрещенной зоны. Зона проводимости образована из незаполненных атомных состояний, причем волновые функции соседних атомов перекрываются, поэтому валентная зона образуется из смешанных состояний как катиона, так и аниона. [c.252]

Зонная структура твердого тела является результатом взаимодействия волновой функции электрона с рещеткой. Зонная структура позволяет найти частоты и направления, для которых волновая функция электрона может или не может проходить через решетку. Отражение электронной волны под углами Брэгга от кристаллографических плоскостей является идеально упругим и не вносит вклада в электрическое сопротивление. Для каждого кристалла и каждой электронной конфигурации условия Брэгга налагают определенные ограничения на направление волнового вектора и значения энергий, которые может принимать электронная волна. Эти ограничения в направлениях и значениях энергий приводят к появлению щелей в почти непрерывном спектре энергий и направлений. Именно эти щели (порядка 1 эВ для полупроводников и 5 эВ или больше для хороших диэлектриков) обусловливают сильнейшие различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками (рис. 5.2). Для металлов характерно, что уровень Ферми оказывается внутри зоны, имеющей вакантные энергетические уровни. Полупроводники имеют полностью заполненную разрешенную зону. Ширина запрещенной зоны у них невелика, н поэтому ие большое число электронов при тепловом возбуждении может перейти в расположенную выше разрешенную зону. Диэлектрик отличается от полупроводника тем, что его запрещенная зона очень велика, и практически ни один возбужденный электрон не может ее преодолеть. [c.190]

Разница между диэлектриками и полупроводниками, с точки зрени.я зонной теории, заключается в ширине запрещенной зоны условно принято считать, что если ширина запрещенной зоны Д Уо = 0,05 э- 3 эВ, то материал является полупроводником (рис. 1.3,б), а если значение ДWo > 3 эВ, материал относится к диэлектрикам (рис. 1.3,в). [c.8]

В диэлектриках ширина запрещенной зоны Af - 3 Ч- 7 эВ. Энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, электроны могут приобрести за счет нагрева либо при облучении диэлектрика светом, квантами, энергия которых больше ширины запрещенной зоны, либо при помещении диэлектрика в сильное электрическое поле, Наковец, электроны могут инжектироваться в диэяек- [c.138]

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся прекрасным диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при высоких температурах и может считаться полупроводником. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепешю утрачивает свой смысл. [c.155]

Рис. 10.7. Токи, ограниченные пространственным зарядом а — МДМ-структура с d>L, к которой приложено внешнее смещение V б —ВАХ МДМ-структуры для ндеального> (безловушечного) диэлектрика (непрерывная прямая) штриховой линией показан омический участок ВАХ, обусловленный существованием в диэлектрике свободных носителей ( неидеальный диэлектрик) а —ВАХ структуры о диэлектриком, содержащем в запрещенной зоне ловушки

Существует несколько теоретических моделей, объясняющих образование положительного заряда. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации. Предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мере своего движения могут достичь энергии, равной или бульшей энергии запрещенной зоны двуокиси кремния, после чего они способны вызвать межзонную ударную ионизацию, в результате которой образуется электронно-дырочная пара с низкоэнергетическим электроном. Образовавшиеся таким образом дырки под действием приложенного электрического поля движутся к катоду и образуют в прикатодной области положительный заряд. Однако образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях < 6 МВ/см и недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда. [c.130]

ПОЛУПРОВОДНИКИ — веш ества, промежуточные между проводниками и диэлектриками (изоляторами), с резко выраженной зависимостью их электропроводности от теми-ры, существенпой зависимостью от количества и природы примесей, воздействия электрич. поля, света и др. внешних факторов. Различие проводников, П. и изоляторов объясняет зонная теория в чистых П. и электронных изоляторах между валентно зоной и зоной проводимости HsieeT H запрещенная зона энергий (в П. она < 5 эв, в изоляторах 5 эв) в проводниках последняя отсутствует (зоны могут даже перекрываться). Миним. ширина заиреш енной зоны, вместе с др. данными о зонной структуре, определяет электропроводность, фотопроводимость, температурные зависимости параметров и др. св-ва П. [c.33]

Во всех устройствах и приборах, где ЭНП выполняет функции электрической изоляции, она работает в достаточно сильных полях, напряженность которых приближается к Enf тех же диэлектриков в толстых слоях. В этих условиях через ЭНП протекают токи, значительно большие, чем те, которые можно ожидать, учитывая лишь объемную проводимость массивных образцов. В большинстве случаев концентрация в тонких пленках носителей заряда будет определяться инжекцией их из электродов или возбуждением с различных примесных уровней. Механизмы электропроводности будут различны в зависимости от характера контакта электрод — пленка и от степени чистоты материала ЭНП. Можно яэ-эвать наиболее часто наблюдаемые механизмы эффекты Шотки и Пуля — Френкеля, токи, ограниченные объемным зарядом (ТООЗ) перескоки электронов по локальным уровням в запрещенной зоне аморфных пленок ( прыжковая проводимость). Законы изменения токов, определяемых этими механизмами, будут весьма различны. [c.259]

Электрические свойства кристаллического твердого тела определяются его зонной структурой, т. е. спектром разрешенных энергетических состояний его электронов, и степенью заполнения этих зон. В кристаллическом кремнии при нулевой температуре валентные электроны (по четыре от каждого атома) заполняют всю валентную зону , отделенную от пустой зоны проводимости энергетической щелью шириной примерно в 1 эБ. В элементарных полупроводниках германий и кремнии модао проследить происхождение запрещенной зоны из ковалентных связей между атомами валентная зона образуется связанными состояниями с более низкой энергией, а зона проводимости —высоколежащими антисвязанными состояниями 1) Поскольку дальнейшее увеличение кинетической энергии электронов, находящихся в заполненной зоне, невозможно, оказывается, что в основном состоянии кристалла подвижные носители заряда отсутствуют, так что при Т— 0 кристалл является диэлектриком, [c.127]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...