- •Раздел 1. Классификация твердых тел. Электронная теория Друде-Лоренца.
- •Раздел 2. Электронные состояния и движение электронов в идеальном кристалле.
- •Раздел 3. Электронные состояния в реальном кристалле
- •Раздел 4. Статистика равновесных носителей заряда
- •Раздел 5. Неравновесные электронные процессы в полупроводниках
- •Раздел 6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда
- •Раздел 7. Контактные явления
- •Раздел 1. Классификация твердых тел. Электронная теория Друде-Лоренца.
- •Классификация по свойствам.
- •Полупроводники и диэлектрики.
- •Классификация неметаллических кристаллов по химической связи.
- •Классификация по зонной структуре (энергетическому спектру) и симметрии кристаллических решеток.
- •1.2. Электронная теория Друде-Лоренца. Основы классической теории электропроводности. Теория Друде – Лоренца.
- •Раздел 2. Электронные состояния и движение электронов в идеальном кристалле.
- •2.1 Одноэлектронное уравнение Шредингера для кристалла. Одноэлектронная волновая функция Блоха.
- •Зонные модели металлов, диэлектриков, полупроводников.
- •2.2 Методы расчета электронных энергетических состояний в твердых телах. Приближения свободных и сильносвязанных электронов. Энергетическая диаграмма металлов.
- •Энергетическая диаграмма диэлектриков и п/п.
- •Электропроводность в твердых телах. Носители заряда. Подвижность.
- •Дрейфовая подвижность μd.
- •Удельная электропроводность твердого тела. (σ) Биполярная проводимость.
- •Электропроводность чистых (собственных) и легированных (примесных) полупроводников.
- •Уравнение Шредингера для электронной подсистемы кристалла.
- •Одноэлектронное приближение. Метод самосогласованного поля.
- •Одноэлектронная волновая функция ψ(r)
- •Условие трансляции.
- •Приближение сильносвязанных электронов (псэ)
- •Блоховская волновая функция в псэ.
- •Решение уравнения Шредингера в псэ.
- •Закон дисперсии e(k) в методах псэ.
- •Интеграл перекрытия волновой функции.
- •Применение метода псэ для расчёта e(k) для конкретных решеток.
- •Плотность состояний в разрешенной зоне кристалла конечных размеров. Дискретность волнового вектора электрона в кристалле.
- •Квазиимпульс ( ) электрона в периодическом поле кристалла
- •2.3 Зонная структура твердых тел. Зоны Бриллюэна для кубических и генксагональных кристаллов. Зоны Бриллюэна
- •2.4 Эффективная масса электрона в кристалле, её связь со структурой энергетических зон. Понятие дырки. Динамика электрона в периодическом поле изитропных и анизотропных кристаллов.
- •Анизотропный и изотропный квадратичные законы дисперсии
- •Поверхности равной энергии
- •Ускорение электрона в кристалле
- •Физический смысл понятия эффективной массы
- •2.5 Зонная структура типичных металлов, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых полупроводников и диэлектриков.
- •Вырождение валентной зоны
- •Сечение изоэнергитических поверхностей при вырождении зон
- •Кристаллы с центром инверсии
- •Кристаллы без центра инверсии
- •Зонная структура элементарных полупроводников ( )
- •Зонная структура п/п соединений: арсенида и фосфида галлия Арсенид галлия
- •Фосфид галлия
- •2.6 Размерное квантование энергии электронов и дырок в полупроводниках. Квантоворазмерные структуры с низкоразмерным электронным газом.
- •Общая схема зоны для гексагональных кристаллов
- •Раздел 3. Электронные состояния в реальном кристалле
- •3.1 Уравнение Шредингера реального кристалла. Метод эффективной массы. Локализованные состояния. Водородоподобные примеси и экситоны.
- •3.2 Глубокие примесные центры. Изоэлектронные примеси. Электрически неактивные примеси. Амфотерные примеси.
- •3.3 Примесные состояния в низкоразмерных структурах.. Поверхностные электронные состояния.
- •Метод эффективной массы
- •3.2 Глубокие примесные центры. Изоэлектронные примеси. Электрически неактивные примеси. Амфотерные примеси. Примесные состояния в твердых телах
- •Примесные зоны. Проводимость по примесным зонам
- •3.3 Примесные состояния в низкоразмерных структурах.. Поверхностные электронные состояния. Донорно-акцепторные пары
- •Глубокие примесные центры (гц)
- •Тройной акцептор в Ge
- •Изоэлектронные примеси
- •Азот в фосфите галлия
- •Электрически нейтральные примеси
- •Раздел 4. Статистика равновесных носителей заряда
- •Плотность состояний n(e)
- •Плотность состояний в зоне проводимости
- •Плотность состояний в зоне проводимости многодолинного (непрямозонного) полупроводника
- •Смысл введения mnd
- •4.2 Концентрация электронов и дырок в зонах для различных степеней вырождения электронного или дырочного газа. Эффективная масса дырок для плотности состояний - mpd
- •Концентрация электронов и дырок в условиях равновесия в темноте
- •Концентрация электронов проводимости в невырожденных полупроводниках
- •Концентрация дырок в полупроводнике p-типа
- •Смысл Nc и Nv в статистике
- •Уравнение электрической нейтральности для полупроводников и диэлектриков
- •Собственный полупроводник
- •Определение Fi
- •Собственная концентрация ni
- •Произведение np в невырожденном полупроводнике
- •Электронные процессы
- •Функции распределения электронов и дырок по примесным состояниям ft
- •Функция распределения дырок по уровням акцепторов
- •4.4 Плотность квантовых состояний в квантово-размерных структурах с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками. Концентрация нейтральных и ионизированных доноров и акцепторов
- •Уровень Ферми и концентрация электронов в невырожденных некомпенсированных полупроводниках n-типа
- •Концентрация нейтральных и ионизированных доноров и акцепторов
- •Компенсационный полупроводник n-типа
- •Уровень Ферми
- •Температурная зависимость n(t) и f(t)
- •Вырожденные полупроводники
- •Раздел 5. Неравновесные электронные процессы в полупроводниках
- •Неравновесная статистика.Электронные и дырочные квазиуровни Ферми.
- •Время жизни неосновных носителей
- •Сильный уровень инжекции
- •Раздел 6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда
- •Уравнение непрерывности
- •Диффузионные токи в полупроводниках и диэлектриках
- •Распределение избыточной концентрации неосновных носителей во времени. Время жизни неосновных носителей
- •Импульсное освещение
- •Распределение избыточной концентрации неосновных носителей заряда в пространстве
- •Диэлектрическое время релаксации-τn
- •Дрейфовая длина неосновных носителей
- •Дрейфовая длина неравновесных дырок (lp) в полупроводнике n-типа
- •Распределение избыточной концентрации при поверхностной рекомбинации
- •Коэффициент инжекции
- •Раздел 7. Контактные явления
- •Основные понятия физики контактов
- •Токи термоэлектронной эмиссии
- •Контакт полупроводника с металлом
- •Вах выпрямляющего контакта м/п (n-типа)
- •Зонная модель контакта при прямом смещении
- •Зонная модель контакта при обратном смещении
- •Вах выпрямляющего контакта
- •Зонная модель p-n перехода в равновесие
- •Ёмкость p-n – перехода
- •Перенос заряда в p-n –переходе
- •Омический контакт
- •Гетеропереходы (гп)
- •Поверхностные электронные состояния, их влияние на контактные явления.
- •Поверхностный потенциал φS
2.4 Эффективная масса электрона в кристалле, её связь со структурой энергетических зон. Понятие дырки. Динамика электрона в периодическом поле изитропных и анизотропных кристаллов.
Эффективная масса носителей заряда в телах
В кристалле на электрон действуют огромные силы со стороны кристаллического поля U( ), которые превосходят по величине внешние силы со стороны электрических и магнитных полей.
Поэтому для описания динамики электрона под действием внешних полей с использованием законов механики для свободного электрона ввели понятие эффективной массы −m*
В эффективную массу m* ”упрятали„ все внутренние силы Электроны в кристалле ускоряются только под действием внешних сил и m* связывает силу и ускорение .
Введем m*:
E −закон дисперсии− непрерывная функция в пределах имеющая экстремуму в различных точках .пусть в точке −находится экстремум функции E .
Разложим в ряд Тейлора функцию E вблизи малой окрестности
E =E( )+
в точке ,
где: − вторая производная по векторному аргументу =тензору второго ранга.
Запишем E в форме аналогичной для свободного электрона: E( )= , где −масса свободного электрона E =E( )+ ,
где −тензор обратной эффективной массы −размерность.
Обратной массы, т.к. размерность квазиимпульса совпадает с размерностью импульса.
( )− материальная константа вещества поэтому главные оси тензора обратной массы совпадают с главными осями (основными) симметрией кристалла.
Запишем тензор ( ) в главных осях, при этом =
= [ ], где −главные значения тензора обратной эффективной массы.
Запишем закон дисперсии в главных значениях тензора обратной эффективной массы:
E( )=E( )+ ,где: −кинетическая энергия электрона проводимости, имеющая разные массы по направлениям .
Величина 1: = −компоненты эффективной массы по направлениям .
Понятие m*−неформальное ,т.е m* позволяет описывать динамику электрона в периодическом поле под действием внешних сил, но только для энергий в узком интервале, вблизи экстремумов в зоне.
О знаке m*
В близи минимума энергии в зоне (дно зоны) тензор обратной эффективной массы имеет положительный знак ( ), то эффективная масса электрона −положительна ( ), в близи максимума энергии в зоне (потолок зоны) −( )− отрицательный знак, поэтому эффективная масса электрона отрицательна ( ).
Т.о у потолка зоны электрон будет как частица с отрицательной массой, что означает, что он ускоряется против направления действия внешней силы.
Электрон с заменяют квазичастицей с положительным зарядом = и положительной массой равной массе электрона.
Такая частица ускоряется нормально −по направлению силы −называют дыркой
Анизотропный и изотропный квадратичные законы дисперсии
Введение m* позволяет записать в квадратичной форме законы дисперсии E( ) для кристаллов различной симметрии, но вблизи экстремальных значений энергии, где справедливо понятие m*.
Анизотропный закон дисперсии E( )−эффективная масса− тензор.
Положим , E( ) ,то E( )=
Изотропный закон дисперсии− характерен для прямозонных п/п , для электронов вблизи точки ( )− эффективная масса (скалярная величина).
E( )= (1: ), −изотропная величина
Анизотропный закон E( )−характерен для электронов в зоне проводимости непрямозонных п/п.
E( )=
Оси x, y, z− главные оси симметрии кристалла и тензора обратной эффективной массы.