Металлическая составляющая связи, ионная составляющая связи и ширина запрещенной зоны в полупроводниках

April 21, 2013 by admin Комментировать »

Деление веществ по преимущественному характеру межатомной связи (ионная, ковалентная, металлическая) соответствует их качественному делению на диэлектрики, полупроводники и металлы, поскольку характер химической связи определяет физические свойства материалов. Естественно, поэтому предпринимались и предпринимаются многочисленные попытки установить корреляцию между важнейшими параметрами полупроводниковых материалов (шириной запрещенной зоны Eg, подвижностью носителей заряда µ, теплопроводностью κ) и их кристаллохимиче

Таблица 2.5. Значения эффективных зарядов и ионности решетки в соединениях AN B8−N  [21–24].

Соединение

AlSb

GaSb

InSb

GaAs

InAs

GaP

InP

q∗/e

0.48

0.33

0.42

0.46

0.56

0.58

0.68

λ

0.37

0.33

0.36

0.40

0.39

0.40

0.42

Соединение

ZnO

ZnS

ZnSe

CdS

CdSe

CdTe

HgS

q∗/e

1.06

0.81

0.7

0.73

0.55

0.71

0.77

λ

0.77

0.70

0.68

0.68

0.64

0.68

0.69

Соединение

HgSe

HgTe

CuCl

CuBr

CuI

AgI

q∗/e

0.71

0.52

0.59

0.38

0.18

0.23

λ

0.68

0.63

0.9

0.85

0.79

0.81

Рис. 2.21. Зависимость ширины запрещенной зоны Eg от длины связи в полупроводниках IVA–VIA подгрупп (см. табл. 2.3).

скими характеристиками (длиной связи d, эффективными зарядами q∗, разностью электроотрицательностей ∆X и т. д.).

Для полупроводниковых элементов различных подгрупп из таблицы Д. И. Менделеева была построена зависимость ширины запрещенной зоны Eg этих элементов от длины связи d (рис. 2.21). Оказалось, что для элементов разных подгрупп ширина запрещенной зоны пропорциональна обратному квадрату длины связи. Такая зависимость обусловлена, как уже обсуждалось ранее, уменьшением ковалентной составляющей связи и увеличением металлической составляющей связи (эффект экранирования ядра: связь ядро — валентные электроны ослабевает из-за увеличения числа заполненных оболочек и уменьшается прочность ковалентной связи).

О влиянии ионной составляющей связи на ширину запрещенной зоны в полупроводниковых соединениях можно достаточно однозначно судить по изменениям Eg в изоэлектронных рядах этих соединений. Такой ряд образуют элементы и соединения, компонентами которых являются элементы из одного периода периодической таблицы, сумма атомных номеров которых постоянна и среднее число электронов на атом одинаково.

Из табл. 2.6 следует, что в каждом изоэлектронном ряду α-Sn, Ge и Si длины связей d с высокой точностью совпадают, в то время как ширина запрещенной зоны Eg монотонно возрастает при переходе от элемента-родоначальника ряда к соединениям с все более увеличивающейся степенью ионности (рост λ связан с увеличением разности электроотрицательностей атомов компонентов соединения; см. табл. 2.4 и табл. 2.5).

Таблица  2.6. Значения  d,  λ, Eg,  µn   и  µp   в  изоэлектронных  рядах Sn,  Ge,  Si приведены для 300 K [24].

Ряд

d, A˚

λ

Eg, эВ

µn , см2/В · с

µp, см2/В · с

α-Sn

2.82

0

0.09

2500

2400

InSb

2.82

0.36

0.18

78000

750

CdTe

2.81

0.68

1.5

1200

80

AgI

2.81

0.81

2.80

50

Ge

2.44

0

0.664

3800

1820

GaAs

2.44

0.4

1.43

8500

420

ZnSe

2.45

0.68

2.80

260

23

CuBr

2.46

0.85

2.90

30

Si

2.33

0

1.11

3000

500

AlP

2.33

0.40

2.45

50

150

Изоэлектронные ряды Si и C представлены в таблице в укороченном виде или отсутствуют, соответственно, потому, что последующие за приведенными представители этих рядов не обладают алмазоподобной структурой и не являются полупроводниками.

Постоянство d в рядах дает основание полагать, что ковалентная составляющая связи в них не изменяется, а увеличение Eg с одновременным ростом степени ионности соединения с алмазоподобной структурой обусловлено ростом ионной составляющей связи. Кроме того, из табл. 2.6 видно, что, во-первых, происходит замедление роста Eg при переходе от одного ряда к другому, и, во-вторых, происходит замедление нарастания Eg при переходе к ионным соединениям в каждом ряду. Замедление роста Eg при переходе от одного ряда к другому свидетельствует о том, что ширина запрещенной зоны является сложной функцией λ. Замедление же нарастания Eg в каждом ряду обусловлено эффектом деполяризации ковалентно-ионной связи. Действительно, с ростом степени ионности соединения возрастает степень компенсации между «антиионным» и «ионным» зарядами компонентов соединения. В результате в определенном интервале достаточно больших λ ионная составляющая связи стабилизируется. Подобный эффект является спецификой ковалентно-ионной связи, имеющей подвижный заряд.

В полупроводниковых соединениях, не принадлежащих к изоэлектронным рядам, зависимости Eg(λ) определяется взаимным положением элементов A и B в периодической таблице. Так, например, в ряду соединений AlSb, GaSb и InSb уменьшение Eg (Eg = 1.63 эВ; 0.7 эВ; 0.18 эВ соответственно) происходит в основном за счет уменьшения ковалентной составляющей связи практически без изменения ионной (см. табл. 2.5).

Прочность ковалентной составляющей связи в этом ряду падает, а доля металлической составляющей связи увеличивается с возрастанием атомного номера A компонента соединения из-за роста эффекта экранирования. В ряду AlSb, AlAs, AlP рост Eg (Eg = 1.63 эВ; 2.14 эВ; 2.45 эВ соответственно) обусловлен как небольшим ростом степени ионности соединения (λ = 0.37; 0.39; 0.68 соответственно), так и увеличением ковалентной составляющей связи, связанной с уменьшением эффекта экранирования.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты