background image

Elektrony i dziury

struktura pasmowa

podział ciał stałych

masa efektywna nośników

pojęcie dziury

półprzewodniki

 

Co to jest teoria pasmowa

Teoria pasmowa jest kwantowo-mechanicznym opisem 

zachowania elektronów w krystalicznym ciele stałym.

Nazwa teoria pasmowa pochodzi od 

najważniejszej cechy widma 

energetycznego w krysztale: 

w przeciwieństwie do dyskretnych 

poziomów dla izolowanych atomów, 

widmo energetyczne kryształu 

charakteryzują pasma energii 

dozwolonych o skończonej szerokości 

 

Wady modelu elektronów 

swobodnych

a

przyjęcie stałego potencjału 

w modelu elektronów swobodnych 

nie uwzględnia dyskretnej struktury 

krystalicznej ciał stałych

a

istotny wpływ na zachowanie 

elektronów odgrywa ich 

oddziaływanie z jonami sieci

a

brak również uwzględnienia 

oddziaływania elektronów pomiędzy sobą

a

oba typy oddziaływań można rozdzielić stosując 

różne rodzaje przybliżeń: jednoelektronowe, 

elektronów prawie swobodnych lub silnie 

związanych

E

x

0

 

background image

Powstawanie pasm

a

jako punkt wyjścia przyjmujemy 

funkcje falowe i zdegenerowane 

poziomy energetyczne 

pojedynczych atomów

a

w wyniku zbliżania atomów 

następuje rozszczepienie 

poziomów w pasma i ewentualne 

przekrywanie (zlewanie)

a

szerokość pasma zależy od 

przekrywania odpowiednich 

funkcji falowych

a

głęboko leżące poziomy są 

nieznacznie poszerzone i 

zachowują swój atomowy 

charakter

odległość r

r

0

en

er

gi

a elektr

onu 

 E

1s

2s

2p

 

Izolowane, swobodne atomy Na

ρ

ρ

Na

Na

3s

1

3s

1

2s

2

2s

2

1s

2

1s

2

2p

6

2p

6

+

+

0

r >> a

Poziom zerowy

U

U

3s

2s

1s

a

w atomie swobodnym 

każdy poziom jest 2(2l+1) 

krotnie zdegenerowany

a

dla N atomów liczba 

podpoziomów wynosi 

2N(2l+1)

a

bariera potencjału nie 

zezwala elektronom 

swobodnie poruszać się 

między atomami

a

elektrony są zlokalizowane, 

funkcje falowe nie 

zachodzą na siebie

 

Zmiana stanu elektronów 

przy zbliżaniu się atomów

Na

+

+

+

+

Na

Na

Na

a = 4.3A

o

0

3s

2s

1s

3s

2p
2s

1s

ρ

ρ

a

obniżenie poziomu potencjału 

poniżej stanu 3s

a

elektrony 3s stają się 

swobodne

a

funkcje falowe tych 

elektronów zachodzą na siebie

a

funkcje falowe elektronów 

wewnętrznych nie ulegają 

zmianie

a

pojedyncze poziomy ulegają 

rozszczepieniu tworząc pasmo

Przy odległościach równych stałej sieci 0,43 nm otrzymujemy:

 

background image

Zapełnianie pasm przez 

elektrony

a

izolatory i półprzewodniki - niższe pasma 

całkowicie zapełnione, wyższe poczynając 

od pewnego, całkowicie puste

a

metale proste - nad całkowicie zapełnionymi 

pasmami istnieje pasmo zapełnione 

częściowo

a

metale z pasmami nakładającymi się -

najwyższe całkowicie zapełnione pasmo, 

zachodzi na położone nad nim najniższe 

pasmo puste, wtedy oba zapełniają się 

częściowo

Pod względem charakteru zapełnienia pasm przez elektrony 
możemy podzielić wszystkie ciała na trzy grupy:

E

k

 

Podział ciał stałych

O własnościach fizycznych ciał stałych decydują:

a

kształt i sposób obsadzenia elektronami dwóch najważniejszych 

pasm energetycznych

`

pasma przewodnictwa - najniższego pasma nie 

zapełnionego

`

pasma podstawowego (walencyjnego) - najwyższego 

pasma obsadzonego przez elektrony

a

odległość między tymi pasmami E

g

- zwana  przerwą 

energetyczną (pasmem zabronionym)

`

izolatory E

g

> 3 eV - nie przewodzą prądu

`

półprzewodniki E

< 3 eV, choć GaN ( 3,4 eV) 

diament (5,4 eV)

`

metale E

g

= 0 - pasma zachodzą na siebie

a

ta sama substancja może mieć w pewnych warunkach bądź 

właściwości półprzewodnikowe, bądź metaliczne

E

 

Masa efektywna elektronu

a

Masa efektywna jest charakterystyką rozważanego pasma a 

nie elektronu

a

pojęcie masy efektywnej ma znaczenie fizyczne, gdyż wyraża 

wpływ periodycznego potencjału sieci na dynamikę elektronu

a

m* opisuje ruch elektronu pod wpływem sił zewnętrznych F

a

siły wewnętrzne wywierane przez sieć jako wynik 

oddziaływania elektronu z potencjałem krystalicznym są 

uwzględnione w wartości m* różnej od masy rzeczywistej m

0

a

wartość m* jest z reguły mniejsza od m

0

siec

F

F

m

F

m

a

m

+

=

=

*

0

0

*

m

F

=

siec

F

F

F

m

m

+

=

0

*

1

2

2

2

*

⎟⎟

⎜⎜

=

dk

E

d

m

h

 

background image

-k

e

k

e

0

k

E

+

h

v

m

k

E

2

2

2

h

E

v

E

c

+

e

c

m

k

E

2

2

2

h

-q

Pasma paraboliczne

...

)

(

2

0

2

2

+

⎟⎟

⎜⎜

+

=

=

k

dk

E

d

E

k

E

k

c

+

=

e

c

m

k

E

k

E

2

)

(

2

2

h

Dla pasm parabolicznych zachowanie 
pojedynczego elektronu w paśmie 
przewodnictwa opisuje się stałą masą m

*

e

=

+

=

e

v

e

v

m

k

E

m

k

E

k

E

2

2

2

2

2

2

h

h

)

(

Podobnie będzie z elektronami w 
paśmie walencyjnym, gdzie m

*

e

< 0 

jest masą efektywną tych elektronów

e

przejście 
proste

 

Odwrotne zjawisko 

termoelektryczne

W metalach w których pasmo 
walencyjne jest prawie całkowicie 
zapełnione występuje odwrotne 
zjawisko termoelektryczne - jakby 
dziury (ładunki dodatnie) dyfundowały 
od gorącego do zimnego końca

metal prosty

półmetal

T

1

>         T

2

E

k

cynk Zn
kadm Cd
bizmut Bi

ujemna m*

 

Pojęcie dziury

W przypadku pasma prawie całkowicie zapełnionego zamiast o ruchu 
brakującego elektronu o ujemnej masie wygodniej jest wprowadzić 
pojęcie dziury (hole) o dodatnim ładunku +e  i  v

= v

b.el

e

q

h

+

=

( )

( )

k

m

k

m

e

h

=

masa efektywna dziury jest 
równy masie wzbudzonego 
elektronu i ma znak 
przeciwny, czyli jest dodatnia

Właściwości dziury:

E

el

k

pusty stan

b.el

k

e

E

h

k

dziura

k

h

el

b

h

k

k

.

=

el

b

h

v

v

.

=

im większa jest energia nieobsadzonego 
przez elektron stanu w paśmie walencyjnym 
tym mniejsza jest energia dziury

 

background image

Półprzewodniki

a

Półprzewodniki to materiały o przerwie energetycznej poniżej 

3 eV, które w temperaturze 0 K mają całkowicie zapełnione 

pasmo walencyjne i puste pasmo przewodnictwa

a

w wyższych temperaturach pod wpływem wzbudzeń 

termicznych, część elektronów z pasma walencyjnego 

przechodzi do pasma przewodnictwa

a

swobodne elektrony w p.p. i dziury w p.w. decydują o 

przewodnictwie elektrycznym półprzewodnika

a

konduktywność materiałów półprzewodnikowych zmienia się 
w przedziale od 10

–8

do 10

6

(

Ωcm)

–1

 

Stan równowagi

W ogólnym przypadku poziomy Fermiego dla elektronów i dziur 
mogą się nie pokrywać. 

W stanie równowagi poziomy Fermiego pokrywają się

E

Fp

E

Fn

E

v

E

c

0

E

0’

E’

E

g

generacja

E

Fp

E

Fn

E

v

E

c

rekombinacja

E

Fn

+ E

Fp

= –E

g

E

Fn

= E

F

E

v

E

c

równowaga

E

Fp

kT

E

c

Fn

e

N

n

=

kT

E

v

Fp

e

N

p

=

 

a

Wpływ domieszek na właściwości fizyczne jest 

zaniedbywalny

a

charakteryzują się doskonałą strukturą 

krystaliczną, bez obcych atomów i defektów 

strukturalnych

a

swobodne nośniki powstają tylko kosztem 

rozerwania wiązań kowalencyjnych

a

liczba dziur jest równa liczbie swobodnych 

elektronów i nazywa koncentracją samoistną

Półprzewodniki samoistne

i

n

p

n

=

=

 

background image

Statystyka nośników w p.s.

i

n

p

n

=

=

(

)

kT

E

v

c

kT

E

E

v

c

kT

E

v

kT

E

c

i

g

Fp

Fn

Fp

Fn

e

N

N

e

N

N

e

N

e

N

np

n

+

=

=

=

=

2

(

)

(

)

kT

E

h

e

i

g

e

m

m

h

kT

n

2

4

3

3

2

3

2

2

π

=

kT

E

v

c

i

g

e

N

N

n

2

=

Koncentracja równowagowa w półprzewodniku samoistnym określona 
jest przez szerokość pasma zabronionego i temperaturę półprzewodnika

Półprzewodnik

Si

Ge

Sn

E

g

(eV)

1,12

0,67

0,08

n

i

(m

-3

)

2·10

16

3·10

19

1·10

24

T (K)

100

300

600

n

i

(m

-3

)

3·10

7

3·10

19

6·10

23

 

Położenie poziomu Fermiego

+

=

e

h

g

F

m

m

kT

E

E

ln

4

3

2

E

T

E

c

E

v

E

F

=

e

h

m

m

>

e

h

m

m

<

e

h

m

m

Dla większości samoistnych 
półprzewodników w 
temperaturach pokojowych 
przesunięcie poziomu 
Fermiego można zaniedbać, 
czyli E

F

= –E

g

/2

 

Półprzewodniki samoistne 

i domieszkowe

półprzewodniki typu p
przewodnictwo dziurowe
domieszki akceptorowe: B, Ga, In
III grupa układu okresowego

półprzewodniki typu n
przewodnictwo elektronowe
domieszki donorowe: P, As, Sb
V grupa układu okresowego

 

background image

Położenie poziomu Fermiego

0

E

F

T

i

T

s

E

d

E

c

T

0

E

v

niskie 

temp.

wyczerpanie 

domieszki

przewodnictwo 

samoistne

 

Zależność koncentracji 

elektronów od temperatury

1

T

tg

E

k

j

α

1

2

=

tg

E

k

g

α

2

2

=

1

T

s

1

T

i

E

d

Dla T < T

s

kT

E

c

d

d

e

N

N

n

2

2

1

2

1

=

Dla T > T

i

(

)

kT

E

v

c

i

g

e

N

N

n

2

2

1

=

d

N

=

 

Dla typu p

Dla T < T

s

kT

E

v

a

a

e

N

N

p

2

2

1

2

1

=

p

n

n

i

2

=

Dla T

s

< T < T

i

n

N

p

a

+

=

2

i

n

np =

2

4

2

2

i

a

a

n

N

N

p

+

+

=

2

4

2

2

i

a

a

n

N

N

n

+

+

=

N

~ n

i

Dla T > T

i

i

n

p

n

=

=

n

>> N

d

(

)

kT

E

v

c

i

g

e

N

N

n

2

2

1

=

E

a

E

g

kT

E

F

½E

g

 

background image

Ruchliwość nośników

a

ruchliwość nośników to średnia prędkość unoszenia (dryftu) przy 

jednostkowym natężeniu zewnętrznego pola elektrycznego 

μ = v

d

/E

a

ustalona wartość ruchliwości jest wynikiem zderzeń nośników z 
fononami i domieszkami sieci

a

średnia prędkość dryftu zależy od natężenia pola elektrycznego i czasu 

pomiędzy zderzeniami (czas relaksacji zderzeniowej 

τ)

a

ruchliwość nie zależy od czynników zewnętrznych a jedynie od 
właściwości ciała stałego

τ

=

e

d

m

eE

v

τ

=

=

μ

e

d

e

m

e

E

v

 

Zależność ruchliwości od 

temperatury

a

w niskich temperaturach przeważa 
rozpraszanie na domieszkach

a

w wyższych temperaturach 
ruchliwość maleje w wyniku 
wzrostu rozpraszania na

drganiach akustycznych sieci

a

ze wzrostem koncentracji domieszki 
ruchliwość nośników maleje

a

ruchliwość elektronów jest 
zazwyczaj większa od ruchliwości 

dziur

Rozpraszanie
na domieszkach

Rozpraszanie
na fononach

μ~T

3/2

μ~T

-3/2

N

d

N >N

d

d

,

R

uc

hl

iw

o

ść

Temperatura

2

3

T

~

μ

2

3

μ

T

~

T=300K

Si

Ge

InSb

InAs

PbS

μ

h

(

m

2

/Vs

)

0,060

0,190

0,075

0,046

0,060

μ

(

m

2

/Vs

)

0,150

0,390

7,700

3,300

0,055

 

Przewodnictwo 

półprzewodników

E

n

m

e

v

en

j

e

d

r

r

r

τ

=

=

2

E

j

r

r

σ

=

τ

=

σ

e

m

n

e

2

e

e

enμ

=

σ

h

h

epμ

=

σ

prędkość dryftu określa gęstość prądu

porównując z 
prawem Ohma

(

)

h

e

p

n

e

μ

+

μ

=

σ

w półprzewodnikach transport ładunku jest spowodowany zarówno 
elektronami, jak i dziurami, konduktywność wyraża się wzorem:

=

e

e

m

e

τ

μ