МЕНЮ

Природа и механизм фотонной проводимости полупроводников

Предложен подход к пониманию природы фотонной проводимости полупроводников и механизму ее образования, исходя из эфиродинамических представлений моделей атомных и атомно-молекулярных структур.

Введение. Проблема понимания природы и механизмов проводимости твердых тел возникла в начале 20-го столетия в связи с неоднозначной интерпретацией экспериментальных данных. На сегодняшний день можно выделить два принципиально разных подхода к построению теории проводимости вещества: зонный и атомно- молекулярный. [1]

Зонная теория вещества [2] широко используется для объяснения не только механизмов работы большинства современных электронных приборов, но и физики процессов, лежащих в их основе. Лежащая в основании данной теории модель позволяет в качественном отношении дать описание наблюдаемых явлений и свойств металлов, диэлектриков и полупроводников.

Атомно-молекулярный подход позволяет осуществлять теоретические исследования свойств и структуры веществ на новом уровне,  например, магнитных моментов тяжёлых ядер [3]. Образование вещества и его исследование рассматривается в рамках структурно-аналитического подхода [4], основанного на изучении влияния электронной структуры материала на его свойства.

Зонная теория предполагает существование свободных электронов, а структурообразующий процесс атомов и молекул полупроводников формируют механически устойчивую гексагональную решетку. В объеме кристалла все электроны задействованы на ковалентных связях и в свободном (несвязанном) состоянии их не может быть по определению.

Очевидно явное противоречие между принятым в настоящее время зонным подходом к описанию твердых тел и сложившимися представлениями о структурообразовании вещества.

В рамках атомно-молекулярного  подхода, выше обозначенное противоречие снимается в модели электронной проводимости, которая основана на гипотезе переноса электронов по межатомным и межмолекулярным связям.

Из выше изложенного следует, что в рамках обоих подходов, основным элементом атома вещества, формирующим его электропроводность, является электрон [5]: “… это один из основных структурных элементов вещества. Периодичность химических, оптических, электрических и магнитных свойств атома  различных химических элементов в зависимости от порядкового номера  связана со сходным строением внешних электронных оболочек, определяющим эти свойства”.

Данное определение электрона находится в явном противоречии с установкой выше указанных подходов на электронную электропроводность вещества. Отрыв электрона от атома это процесс разрушения атома, который неминуемо сопровождался бы изменением всех указанных свойств атома. Экспериментально этот факт неоднократно был доказан Болотовым Б. В. [6]. Теоретическим обоснованием невозможности существования электрона в свободном состоянии являются работы [7, 8], выполненные в рамках эфиродинамической концепции. Там же было показано, что основным носителем электрического заряда, не разрушающего атом вещества, является фотон. Идея фотонной электропроводности неоднократно обосновывалась в ряде работ [9 — 11]. Следовательно, можно предположить, что фотонная электропроводность является универсальной и применимой ко всем классам веществ.

Фотонная электропроводность полупроводников. В работе [12] было показано, что физические и химические свойства химических элементов определяются электронной структурой (конфигурацией) и энергетическим состоянием внешнего слоя атома, основной характеристикой, которая устанавливает эти свойства, является энергия ионизации. В основе фотонной теории электропроводности полупроводников лежат выводы эфиродинамической сущности электрического заряда [13, 14]: электрический заряд величина знакоопределенная (положительная); свободным носителем (переносчиком) электрического заряда являются фотоны; электрический заряд является функцией длины волны фотона;  наименьшей величиной электрического заряда обладают фотоны инфракрасного диапазона (значение электрического заряда не установлено); величина электрического заряда 1,602176487(40)⋅10−19 Кл  соответствует удвоенной величине электрического заряда фотонов ультрафиолетового диапазона длиной волны, ориентировочно 225 нм.

Электрический ток в металлическом проводнике это поток фотонного газа. В фотонной теории электрического тока фотоны перемещаются прямолинейно и равномерно по сечению проводника. При этом важнейшими факторами, влияющими на  перемещение фотонов, являются плотность и неоднородность атомов. Межатомное расстояние обеспечивает свободное перемещение фотонов, в то время как атом (совокупность протон-электронных  пар), в зависимости от внешних условий, может быть препятствием движению фотона или объектом трансформации входящего фотона в исходящий, соответственно с новым набором параметров. При этом взаимодействие фотона и атома подразумевает процесс поглощения — генерации атомом фотона. При соблюдении критерия энергетической достаточности, т. е. энергии поглощенного одного или более фотонов будет достаточно для возбуждения протон-электронной пары, происходит генерация новых или собственных фотонов атомом вещества проводника. Этот процесс повторяется при движении и взаимодействии фотонов со следующим атомом и т. д.

При отсутствии внешних факторов (температуры, магнитных и электрических сил, излучения и т. д.) фотонов в проводнике нет. Фотоны в проводнике генерируются или под действием внешних факторов, или внешним источником генерации фотонов (химическим, механическим, световым и т. п.) при присоединении проводника к источнику. Фотоны начинают двигаться из зоны генерации (повышенной концентрации) внутри проводника под воздействием силы, обусловленной разностью концентраций фотонов на концах проводника. Иначе направление движения фотонов определяется градиентом концентрацией фотонов в проводнике, т. е. избыточным давлением фотонного газа на одном конце проводника и отсутствием или малой концентрацией (давления) на другом. Минимальная концентрация на другом конце проводника обеспечивается подключенным объектом поглощения фотонов, например, в электрогенераторах – воздействием магнитного поля обратной полярности на обмотку.

            В зависимости от величины электропроводности  все вещества делятся на проводники с σ > 105 (ом·м)-1, диэлектрики с σ < 10-12(ом·м)-1 и полупроводники с промежуточными значениями σ. Это деление в значительной  мере условно, т. к. электропроводность  меняется в широких пределах при изменении состояния вещества и внешних факторов. [15]

            Уникальность фотона определяется тем, что он представляет собой семейство (множество) элементарных частиц, характеризующихся набором (спецификацией) одних и тех же параметров, значения которых являются функцией длины волны фотона.

            В процессе возбуждения – генерации протон-электронной пары, всегда генерируется множество фотонов разной длины волны, спектр параметров которых определяется энергетическим состоянием пары.

Полупроводник имеет электропроводность, которая является промежуточной между проводимостью металла и неметалла; полупроводник также отличается от металла тем, что электропроводность полупроводника увеличивается с температурой. Типичными полупроводниками являются кремний и германий.  Свойства полупроводников объясняются  с помощью  электронной структуры (конфигурации) атома. Например, атомы кремния и германия имеют электронную структуру, соответственно, Si — 4,8,2; Ge — 4,10,8,8,2.  Так как это элементы IV группы периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева (ПТХЭ), то внешний слой электронной структуры содержит по 4 протон-электронных пары. Их энергия ионизации Еи эВ, соответственно [16]: Si — 8,15168;  16,34585;  33,493;  45,14179;  Ge — 7,899435;  15,93461;  34,0576;  45,7155. Для сравнения, у меди — 7,72638;  20,29239;  36,841;  57,38. Отличие меди от кремния и германия в том, что медь это элемент I группы ПТХЭ, у которой внешний слой содержит одну протон-электронную пару, которая энергетически отдалена от второго слоя (Еи второй пары — 20,29239 эВ и т. д.).

            При возбуждении протон-электронных пар внешнего слоя кремния и германия требуется энергии входного потока фотонов больше, чем у атомов меди. Кроме того, энергетический спектр кремния и германия будет также по диапазону волн фотонов шире, однако его плотность будет меньше (обусловлено его линейчатым характером). Исходя из определения понятия электропроводности [10]: чем выше энергетическая плотность потока фотонов, тем выше его диэлектрическая проницаемость, тем больше удельная электропроводность вещества. В связи с чем, электропроводность кремния и германия будет меньше чем у меди. Известно  [17], что диэлектрическая проницаемость ε кремния и германия, соответственно, равна: 11,7 и 16 – 16,4. Тогда их электропроводность σ, соответственно: σ = σэ · ε = 0,0333576 См  · ε. σ(Si) = 0,39 См. σ(Ge) = 0,534 – 0,547 См.

Удельная электропроводность σу кремния и германия, соответственно: σу = σ·l/S. l = 1м.

S = 1 мм2 = 10-6м2.  σу(Si)  = 0,39·106 См·м.  σу(Ge) = (0,534 – 0,547) ·106 См·м.

Вторым фактором, влияющим на электропроводность вещества является его физическая плотность ρ, кг/м3. Для кремния и германия, соответственно, она равна: 2300 и 5300, меди — 8960. В виду того, что плотность вещества фактически определяет количество атомов в единице объема, соответственно плотность потока фотонов, которые будут генерироваться атомами вещества при воздействии внешних факторов. Таким образом, чем выше плотность вещества, тем выше его электропроводность.

Собственная проводимость и электрический ток в полупроводнике. Появление электрического  тока  в полупроводнике, как и в металлическом проводнике, обусловлено воздействием энергии внешних факторов или внешним источником тока, а его величина определяется свойством полупроводника – электропроводностью. Этот ток называется собственным, а электропроводность – собственной проводимостью.

В результате действия внешних и внутренних факторов  на полупроводник, в нем протекают процессы поглощения-генерации фотонов, которые обуславливают появление в полупроводнике фотонов. Условием генерации новых фотонов в полупроводнике является неравенство Евн. ≥ Еф., где Евн. – энергия внешних и внутренних факторов, Еф – энергия генерируемых фотонов.

            Энергетическая структура каждого атома (протон-электронных пар) вещества характеризуется  соответствующими уникальными спектрами излучения и поглощения.

По определению [18], спектральная плотность энергии излучения uω = ћωnω = hνnω  или uλ = hc/λ nλ, где h – постоянная Планка, с – скорость света. Согласно этому распределению число фотонов  nф в единице объема пространства, обладающих энергией в интервале длин волн от λ до λ + dλ, выражается формулой:

                   λ2               λ2                                        λ2

            nф = ∫ nλdλ = ∫ uλλ/hc dλ = 1/hc ∫ uλλ dλ.                                    (1)

                   λ1               λ1                                        λ1

При  генерации протон-электронной парой  вторичных фотонов следует помнить, что при одноразовом акте каждая протон-электронная пара генерирует всегда два фотона. Поэтому в выражении (1) число фотонов nф в два раза больше.

Найдем интеграл (1):

            nф = 1/3hc  uλ (3λ2 – λ3) ≈ 1/3hc  uλ ( – λ3).                               (2)

Выражение (2) показывает, что количество генерируемых фотонов в полупроводнике определяется спектральной плотностью энергии излучения данного полупроводника и длиной волны генерируемых фотонов. Знак минус указывает на то, что с увеличением длины волны фотона количество генерируемых фотонов уменьшается. Так как спектральная плотность каждого полупроводника характеризуется диапазоном длин волн, то наименьшее количество генерируемых фотонов будет определяться энергией фотонов максимальной длины волны, которая интерпретируется в современной физике как красная граница фотоэффекта. Красная граница для кремния и германия, соответственно: λкр(Si)= 2206,873 нм, Еф = 0,562 эВ;  λкр(Ge)= 2392,845 нм, Еф = 0,518 эВ.

Спектральная плотность любого атома вещества характеризуется линейчатым спектром. Для определения общего количества генерируемых фотонов nф в конкретном полупроводнике, необходимо просуммировать значения генерируемых фотонов для каждого значения длины волны линейчатого спектра.

            Каждый фотон характеризуется величиной электрического заряда. Для простоты будем считать величину электрического заряда е для фотонов разных длин волн одинаковой (например, для двух фотонов 1,602176487(40)⋅10−19 Кл ). Тогда электрический потенциал в объеме проводника  будет определяться выражением φоб = nф е, а плотность электрического тока  j = nф е uф, где uф – скорость фотонов.

            Ввиду уникальности спектральных характеристик для различных веществ в объеме полупроводников будут формироваться  разные по величине электрические потенциалы.

В нормальных условиях  (физ. условия, определяемые давлением р = 101 325 Па (760 мм рт. ст., нормальная атмосфера) и температурой t = 273,15 К (0°С), при которых молярный объём газа V0 = 2,2414·10-2 м3/моль. [19]) в естественной среде  внешним фактором всегда является температура. Оценим вклад энергии, которая характеризуется температурой 

Т = 300 К:

            Ет =3/2 kT ≈ 0,03878 эВ,

что составляет ≈ 7% от величины энергии фотонов красной границы для кремния.

Диапазон длин волн внешней протон-электронной пары кремния составляет 2206,873  – 125,528 нм, что соответствует энергетическому диапазону 0,562 – 9,88 эВ. Вклад энергии температуры для верхней границы диапазона составляет 0,4%.

Таким образом, воздействие внешнего фактора  температуры Т = 300 К приводит к смещению красной границы в область длинных волн энергетических спектров протон-электронных пар  атома кремния на 7%, соответственно к изменению величины собственного тока. Смещение красной границы в область длинных волн позволяет протон-электронной паре согласно выражению (2) увеличить число генерируемых фотонов. Аналогично действие температуры на границы длин волн других протон-электронных пар атома. Этим объясняет рост тока в полупроводниках  при увеличении температуры.

Представление о ширине запрещенной зоны. Запрещенная зона [20] это одно из понятий зонной теории – квантовомеханической теории движения электронов в твердом теле. Одним из важнейших свойств полупроводников, непосредственно вытекающих из особенностей их электронной и кристаллической структуры, является существование запрещенного промежутка энергий E между полностью заполненной электронами

при температуре T = 0 валентной зоной Ev (v-зоной) и следующей, незаполненной при той же температуре зоной проводимости Ec (c-зоной). Величина энергетического зазора между этими зонами — ширина запрещенной зоны Eg. В зависимости от природы материала Eg меняется в широких пределах — от 7 эВ у кварца до 0 у т. н. бесщелевых полупроводников  и отрицательной величины у полуметаллов (перекрытие валентной зоны и зоны проводимости). Вещества с Eg>3 эВ относят к диэлектрикам, вещества с Eg<3 эВ — к полупроводникам. Ширина запрещенной зоны определяет концентрацию собственных носителей заряда и, следовательно, собственную проводимость проводника.

            Согласно эфиродинамической концепции проводимость проводника определяется концентрацией фотонов, а их генерация осуществляется только при условии, что энергия внешних факторов будет больше или равна энергии генерации. Следовательно, условием появления тока в полупроводнике, является некоторая величина энергии внешнего фактора, которая определяется красной границей фотоэффекта данного полупроводника.

            Таким образом, согласно  эфиродинамической концепции, запрещенная зона  это величина энергии внешнего фактора эквивалентная величине энергии фотонов, длина волны которых  определяется красной границей фотоэффекта полупроводника.

Примесная проводимость. Из выше изложенного следует, что электропроводность полупроводников значительно уступает величине электропроводности металлов. Особенностью полупроводников является возможность управления электропроводностью. Эта особенность обусловлена тем, что полупроводники это химические элементы II – VI групп таблицы Д. И. Менделеева, которые способны создавать молекулярные структуры с новыми (эмерджентными) свойствами, в частности – электропроводностью. Такие полупроводники получили название примесных, а электропроводность примесной.

            Рассмотрим образование примесной проводимости на примере полупроводника кремния. Кремний это химический элемент IV группы, который имеет четыре протон-электронных пары во внешнем слое. Он также является элементом  третьего периода, у которого полный внешний слой определяется восемью протон-электронными парами. К таким элементам IV группы также относятся германий, олово и свинец.

            Таким образом, как элемент, кремний имеет четыре незаполненных оболочки. Эта особенность кремния позволяет ему, как химическому элементу, создавать молекулярные структуры двух типов.

            Если вторым элементом, который участвует в образовании молекулярной структуры,  является элемент V группы,  то в результате получим структуру, содержащую внешний слой с одной протон-электронной парой. Процесс образования такой структуры заключается в том, что четыре протон-электронных пары элемента V группы своими оболочками заполняют четыре свободных оболочки кремния, а электроны этих протон-электронных пар элемента V группы  располагаются  на прямой  между центрами обоих атомов. Электрон пятой внешней протон-электронной пары окажется на той же прямой между центрами с противоположной стороны атома элемента V группы.  Такая молекулярная структура с одним внешним электроном напоминает структуру атома металла с одной протон-электронной парой во внешнем слое. Электропроводность  этой молекулярной структуры с одним внешним электроном будет определяться энергетическими параметрами одной внешней протон-электронной пары элемента V группы, т. е. по своим значениям будет близка к металлическому проводнику.

            Во втором случае, если вторым элементом, который участвует в образовании молекулярной структуры,  является элемент III группы,  то в результате получим структуру, содержащую внешний слой с одной  незаполненной оболочкой. Процесс образования такой структуры заключается в том, что три  протон-электронных пары элемента III группы своими оболочками заполняют три свободных оболочки кремния, а одна остается незаполненной.  Такая молекулярная структура с одной внешней незаполненной  оболочкой напоминает структуру атома, у которого внешний слой содержит семь протон-электронных пар, т. е. по своим энергетическим параметрам соответствует диэлектрикам. Электропроводность такой структуры будет минимальна.

            Таким образом, примесные полупроводники способны образовывать молекулярные структуры, которые по своим электропроводным свойствам будут аналогичны металлам в одном случае и диэлектрикам в другом.

            В современной физике твердого тела примесь атомов элементов V группы, которая приводит к увеличению электропроводности полупроводника,  называется донорной или n-типа. Примесь атомов элементов III группы, которая приводит к уменьшению электропроводности полупроводника,  называется акцепторной или р-типа.

Выводы. Полупроводники  представляют собой широкий класс химических элементов и структур на их основе, обладающие различной электропроводностью, соответствующей как металлам, так и диэлектрикам, и отличающиеся высокой температурной зависимостью.

            Электропроводность полупроводников определяется  электронной структурой и энергетическим состоянием протон-электронных пар внешнего слоя атома и их способностью осуществлять процесс поглощения-генерации фотонов.

В зависимости от типа химического элемента или его структуры существует  возможность управления электропроводностью полупроводников с помощью легирования различными примесями (донорной или акцепторной).

Литература.

  1. https://journals.indexcopernicus.com/api/file/viewByFileId/1063531.pdf. Потапов А.А. Природа и механизм проводимости полупроводников.
  2. Ашкрофт, Н., Мермин, Н. Физика твердого тела. – Т.1. – М.: Мир, 1979. – 400 с.
  3. https://scientificrussia.ru/articles/novye-atomno-molekulyarnye-pohody-dlya-izucheniya-svojstv-yadra Новые атомно-молекулярные подходы для изучения свойств ядра.
  4. http://www.uzknastu.ru/files/pdf/37/1/15.pdf  Евстигнеев А. И., Шпилев А. М., Коневцов Л. А. РУССКОМУ УЧЁНОМУ-МАТЕРИАЛОВЕДУ ГРИГОРИЮ ВАЛЕНТИНОВИЧУ САМСОНОВУ 100 ЛЕТ.
  5. http://femto.com.ua/articles/part_1/0220.html Атом.
  6. Болотов Б. В., Болотова Н. А., Болотов М. Б., Болотов И. М. Основы строения вещества с позиций авторов, — К.: Универсариум, 2009. – 656 с.
  7. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Миф об открытии электрона.
  8. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Модель атома на основе эфиродинамической концепции.
  9. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Что такое электрический ток?
  10. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Электропроводность веществ (фотонная концепция).
  11. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Фотонный механизм автоэлектронной эмиссии.
  12. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Электронная конфигурация атома и электропроводность веществ.
  13. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Физическая сущность электрического заряда.
  14. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Электрический заряд протона, электрона и фотона.
  15. Парфенов В.В., Закиров Р.Х. Физика полупроводников (элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам). Учебнометодическое пособие для студентов физического факультета. Казань. 2001.
  16. https://translate.google.com/translate?hl=ru&sl=en&u=https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html&prev=search&pto=aue  NIST Atomic Spectra Database Ionization Energies Form.
  17. https://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/ElectricityAndMagnethism/DEPLiquids/DielectricConstanVarious/ Диэлектрическая проницаемость различных веществ, в т.ч. основных диэлектриков.
  18. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Энергия излучения.
  19. http://femto.com.ua/articles/part_2/2520.html  Нормальные условия.
  20. http://femto.com.ua/articles/part_1/1197.html Запрещенная зона.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов


1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи