Определение ширины запрещенной зоны в полупроводниках: совокупность методов, таких как:
- Анализ температурной зависимости носителей заряда или удельной электропроводности
- Наблюдение спада фотопроводимости
- Определение края поглощения в оптическом диапазоне
Как измеряется проводимость?
Удельная электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток. В системе СИ ее измеряют в сименсах на метр (См/м) или в Ом-1·м-1. Это означает, что она равна величине электрического тока, протекающего через проводник длиной один метр и площадью сечения один квадратный метр при приложенном напряжении один вольт.
В системе СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с-1). Это связано с тем, что в этой системе электрическое сопротивление измеряется в омах, а не в сименсах.
Удельная электропроводность зависит от:
- Материала проводника
- Температуры
- Примесей и дефектов в материале
Для большинства материалов удельная электропроводность уменьшается с ростом температуры. Это связано с тем, что при нагревании атомы в материале начинают колебаться сильнее, что затрудняет движение электронов.
Удельная электропроводность имеет большое значение в различных областях науки и техники. Например, она применяется для:
- Расчета сопротивления проводов и других электронных компонентов
- Изучения свойств материалов
- Разработки новых электронных устройств
Какая электропроводность должна быть у питьевой воды?
Электропроводность питьевой воды обычно менее 1 mS/cm (миллисименс на сантиметр), что соответствует электрическому сопротивлению 1 кОм·см.
Для сравнения, чистая (дистиллированная) вода имеет очень низкую электропроводность около 0,055 мкСм/см (микросименс на сантиметр), что соответствует электрическому сопротивлению 18 МОм·см.
Электропроводность воды является показателем содержания в ней растворенных ионов. Для питьевой воды важны следующие электролиты:
- Натрий (Na+)
- Кальций (Ca2+)
- Магний (Mg2+)
- Хлорид (Cl-)
- Сульфат (SO42-)
- Бикарбонат (HCO3-)
Высокая электропроводность воды может указывать на загрязнение, такое как попадание солей из дорожных соляных растворов, промышленных стоков или избыточное использование водных умягчителей.
Зачем надо определять ширину запрещённой зоны полупроводника?
Главным фундаментальным параметром полупровод- ника является ширина запрещенной зоны Eg, а ее знание позволяет прогнозировать основные эксплуа- тационные параметры создаваемых полупроводниковых приборов [1]. Поэтому определение Eg, если она не известна, есть главная задача физики и технологии полупроводников.
Как работает pn переход?
Механизм работы p-n-перехода
p-n-переход представляет собой полупроводниковый элемент, состоящий из области с p-типом проводимости (избыток дырок) и области с n-типом проводимости (избыток электронов). Принципиально его работу можно представить следующим образом:
- При отсутствии внешнего поля в области p-n-перехода возникает встроенное электрическое поле, направленное со стороны n-области к p-области.
- Это поле обусловлено диффузией электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. В результате образуется область пространственного заряда, лишенная свободных носителей заряда.
- При приложении внешнего напряжения прямого смещения (плюс к n-области, минус к p-области) происходит уменьшение ширины области пространственного заряда, что приводит к увеличению тока.
- При приложении внешнего напряжения обратного смещения (плюс к p-области, минус к n-области) ширина области пространственного заряда увеличивается, что приводит к уменьшению тока.
Таким образом, p-n-переход обладает свойством выпрямления тока, то есть он пропускает ток только в одном направлении. Это связано с асимметричным характером формирования области пространственного заряда при прямом и обратном смещениях.
p-n-переходы являются основными элементами различных полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы и солнечные батареи.
Что будет если на светодиод подать меньшее напряжение?
При недостаточном напряжении питания, подаваемого на светодиод (СД), не будет протекать ток, и, следовательно, СД не будет излучать свет.
Мощные светодиоды, предназначенные для освещения, могут иметь высокое напряжение прямого падения, иногда достигающее десятков вольт. Это связано с тем, что внутри кристалла СД имеется множество последовательно-параллельных групп отдельных диодов.
Дополнительно:
- При уменьшении напряжения питания ниже рабочего минимального значения для конкретного СД происходит снижение его яркости, а затем полное гашение.
- Недостаточное напряжение питания также может привести к более короткому сроку службы СД из-за перегрева.
- Для обеспечения стабильной и оптимальной работы СД крайне важно использовать источники питания, соответствующие их техническим характеристикам, включая рабочее напряжение.
В чем измеряется запрещенная зона?
Запрещённая зона характеризуется энергетической разницей между валентной зоной, занятой электронами, и зоной проводимости, где электроны могут свободно перемещаться.
Запрещённая зона, также известная как g-зона, численно выражается в единицах энергии, обычно в электрон-вольтах (эВ).
- Широкая запрещённая зона указывает на то, что требуется большое количество энергии для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.
- Узкая запрещённая зона облегчает переход электронов и делает материал более электропроводным.
- Материалы с запрещённой зоной около 1 эВ и менее считаются проводниками, в то время как материалы с запрещённой зоной более 2 эВ являются изоляторами.
- Полупроводники имеют запрещенную зону между 0,2 и 3 эВ.
Знание ширины запрещённой зоны имеет решающее значение для понимания электрических, оптических и тепловых свойств материалов и имеет практическое значение в различных областях техники, включая разработку полупроводников и электронных устройств.
Как определять энергетические уровни?
Энергетические Уровни
В атоме электроны располагаются на отдельных энергетических уровнях, которые определяются главным квантовым числом n. Количество энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода, в котором находится элемент.
Число электронов на последнем внешнем уровне равно номеру группы, к которой принадлежит элемент.
Максимальное количество электронов на энергетическом уровне определяется формулой: N = 2 * n^2, где:
- N — общее число электронов на энергетическом уровне
- n — номер уровня
Важно отметить, что электроны занимают энергетические уровни в порядке возрастания энергии, и уровень с более низкой энергией всегда заполняется первым.
Информативная Таблица:
| Уровень | Главное Квантовое Число (n) | Максимальное Число Электронов | |—|—|—| | 1 | n=1 | 2 | | 2 | n=2 | 8 | | 3 | n=3 | 18 | | 4 | n=4 | 32 |