Кіріспе

Қатты күй физикасы жартылай өткізгіштерде кездесетін электрондық жолақтың қашықтығы. Қатты күй физикасы және қатты күй химиясында, жолақтың қашықтығы, сондай-ақ жолақтық қашықтық немесе энергиялық қашықтық деп аталады, ол қатты денеде электрондық күйлердің жоқ болатын энергия диапазоны. Қатты денелердің электрондық жолақты құрылымының графиктерінде, жолақтың қашықтығы оқшаулағыштар мен жартылай өткізгіштердегі валенттік жолақтың ең жоғарғы нүктесі мен өткізгіштік жолақтың ең төменгі нүктесі арасындағы энергия айырмашылығын (көбінесе электронвольтпен өлшенетін) білдіреді. Бұл электронды валенттік жолақтан өткізгіштік жолағына көшіру үшін қажетті энергия. Нәтижесінде, өткізгіштік жолақтағы электрон (және валенттік жолақтағы электрондық бос орын) кристалл торында еркін қозғалып, электр тогын өткізуге қабілетті заряд тасымалдаушылар болып табылады. Бұл химиядағы ЖООС/ЕНЖС аралығымен тығыз байланысты. Егер валенттік жолақ толығымен толған және өткізгіштік жолақ толығымен бос болса, электрондар қатты денеде қозғала алмайды, себебі қолжетімді күйлер жоқ. Электрондар кристалл торында еркін қозғалмаса, заряд тасымалдаушылардың қозғалмауынан ток пайда болмайды. Алайда, егер электрондардың бір бөлігі валенттік жолақтан (көбінесе толы) өткізгіштік жолағына (көбінесе бос) ауысса, ток ағуы мүмкін (тасымалдаушының туындауы және рекомбинациясын қараңыз). Сондықтан, жолақтың қашықтығы қатты денелердің электр өткізгіштігін анықтайтын маңызды фактор болып табылады. Үлкен жолақтық қашықтығы бар заттар (сондай-ақ "кең" жолақтық қашықтығы бар заттар деп те аталады) әдетте оқшаулағыштар, кішкентай жолақтық қашықтығы бар заттар (сондай-ақ "тар" жолақтық қашықтығы бар заттар деп те аталады) жартылай өткізгіштер, ал өткізгіштерде өте кішкентай жолақтық қашықтығы болады немесе ол мүлдем болмайды, себебі валенттік және өткізгіштік жолақтары бірігіп, үздіксіз жолақ құрайды.

Жартылай өткізгіш физикасында

Әрбір қатты дене өзіндік энергетикалық жолақ құрылымына ие. Бұл жолақ құрылымындағы айырмашылықтар әртүрлі материалдарда байқалатын электрлік сипаттамалардың кең диапазонына жауап береді. Өлшемдеріне байланысты жолақ құрылымы мен спектроскопиясы өзгеруі мүмкін. Өлшемдердің әртүрлі түрлері: бір өлшемді, екі өлшемді және үш өлшемді. Жартылай өткізгіштер мен изоляторларда электрондар энергияның бірнеше жолағымен шектеледі және басқа аймақтарға кіруіне тыйым салынады, себебі олар үшін рұқсат етілген электрондық күйлер жоқ. Электрондар бір жолақтан екіншісіне секіре алады. Дегенмен, валенттік жолақтың электроны өткізгіш жолаққа көтерілуі үшін, оған белгілі бір ең төменгі энергия қажет, ол көтерілу үшін керек. Бұл қажетті энергия қатты дене материалдың өзіндік қасиеті болып табылады. Электрондар фонон (жылу) немесе фотон (жарық) сіңіру арқылы жеткілікті энергия алып, өткізгіш жолаққа көтеріле алады. Жартылай өткізгіш – T=0K кезінде оқшаулағыш сияқты әрекет ететін, бірақ балқу температурасынан төмен температурада электрондарды өткізгіш жолағына жылулық түрде қоздыруға мүмкіндік беретін, аралық өлшемді, нөлдік емес жолақ аралығы бар материал. Ал үлкен жолақ аралығы бар материал оқшаулағыш болып табылады. Жетекшілерде валенттік және өткізгіш жолақтар бірігіп кеткен болуы мүмкін, сондықтан электрондық күйлердің тыйым салынған аймақтары жоқ. Ішкі жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі жолақ аралығына тікелей байланысты. Сымды өткізгіштік үшін қолда бар жалғыз заряд тасымалдаушылар – жолақ аралығын қоздыруға жеткілікті жылу энергиясына ие электрондар және мұндай қоздыру кезінде пайда болатын электрон тесіктері. Жартылай өткізгіш қорытпаларының (GaAlAs, InGaAs және InAlAs) құрамын бақылау арқылы материалдың жолақ аралығын бақылау немесе өзгерту процесі жүзеге асырылады. Сондай-ақ, молекулалық сәулелік эпитаксия сияқты әдістер арқылы құрамын ауыстырып, қабатталған материалдар жасауға болады. Бұл әдістер гетерожүрекшенің биполярлық транзисторларын (HBT), лазерлік диодтар мен күн элементтерін жобалауда қолданылады. Жартылай өткізгіштер мен оқшаулағыштар арасындағы айырмашылық – конвенциялық мәселе. Бір тәсіл – жартылай өткізгіштерді тар жолақ аралығы бар оқшаулағыш ретінде қарастыру. Әдетте 4 ЭВ-тан жоғары жолақ аралығы бар оқшаулағыштар жартылай өткізгіштер ретінде қарастырылмайды және практикалық жағдайларда жартылай өткізгіштік қасиеттерді көрсетпейді. Электрондық жылдамдық материалдың ресми жіктелуінде де маңызды рөл атқарады. Жартылай өткізгіштердің жолақ аралығы энергиясы температураның жоғарылауымен төмендейді. Температура жоғарылағанда атомдық тербелістердің амплитудасы артып, атомдар арасындағы қашықтық ұзарады. Желілік фонондар мен еркін электрондар мен тесіктер арасындағы өзара әрекеттесу де жолақ аралығына аз дәрежеде әсер етеді. Жолақ аралығы энергиясы мен температура арасындағы байланысты Варшнидің эмпирикалық теңдеуімен (Я. П. Варшнидің есімімен аталған) сипаттауға болады, мұнда Eg(0), α және β – материалдық тұрақтылар. Сонымен қатар, тор тербелісі температурамен бірге артады, бұл электронды шашырау әсерін күшейтеді. Сонымен қатар, жартылай өткізгіштің ішіндегі заряд тасымалдаушылардың саны артады, себебі көбірек тасымалдаушылар жолақ аралығын жеңіп өтуге қажетті энергияға ие болады, сондықтан жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі де температураның жоғарылауымен артады. Сыртқы қысым да жартылай өткізгіштердің электрондық құрылымына және, демек, олардың оптикалық жолақ аралықтарына әсер етеді. Кәдімгі жартылай өткізгіш кристалдарында жолақ аралығы үздіксіз энергия күйлеріне байланысты бекітілген. Кванттық нүктелер кристалдарында жолақ аралығы өлшемге тәуелді және валенттік жолақ пен өткізгіш жолақ арасындағы энергияның ауқымын өндіру үшін өзгертілуі мүмкін. Бұл кванттық шектеу әсері деп те аталады. Жолақ аралықтары материалдың электрондық жолақ құрылысына байланысты тікелей немесе жанама болуы мүмкін. Бұрын айтылғандай, өлшемдерге байланысты жолақ құрылымы мен спектроскопия әртүрлі болады. Бір өлшемді металл емес қатты денелер үшін валенттік және өткізгіш жолақтар арасындағы электрондық өтулерге байланысты оптикалық қасиеттері бар. Сонымен қатар, спектроскопиялық өту ықтималдығы бастапқы және соңғы орбитальдар арасында болады және интегралға байланысты. Дегенмен, жанама жолақ аралығы бар материалдар PV және светодиодтарда жиі қолданылады, егер материалдарда басқа да қолайлы қасиеттер болса.

Жарық шығаратын диодтар және лазерлік диодтар

LED және лазерлік диодтар көбінесе олардан жасалған жартылай өткізгіш материалдың тыйымдалған энергиясына жақын және сәл үлкен энергиясы бар фотондарды шығарады. Сондықтан, тыйымдалған энергия артқан сайын, LED немесе лазердің түсі инфрақызылдан қызылға, содан кейін көк, күлгін және ультракөк түске қарай өзгереді.

Фотоэлектрлі элементтер

Оптикалық жолақтың ені (төменде қараңыз) фотоэлектрлік жасушаның күн сәулесі спектрінің қандай бөлігін жұтатынын анықтайды.

Жарық аралықтарының тізімі

Төменде таңдалған кейбір материалдардың энергиялық тізілімдерінің аралық мәндері келтірілген. Жартылай өткізгіштердегі энергиялық тізілімдерінің толық тізімі үшін «Жартылай өткізгіш материалдар тізімі» деген бетке қараңыз. Топ Материал Белгішесі Энергиялық тізілімдерінің аралығы (эВ) @ 302K Сілтеме III–V Алюминий нитриді AlN 6.0 IV Алмаз C 5.5 IV Кремний Si 1.14 IV Германий Ge 0.67 IV–VI Қорғасын(II) сульфиді PbS 0.37 Мыс(I) оксиді Cu2O 2.1

Оптикалық және электрондық жолақты аралық

Үлкен экситон байланысу энергиясы бар материалдарда фотон экситонды (байланысқан электрон-тозаң жұбын) құруға қажетті энергияға ие болуы мүмкін, бірақ электронды және тозаңды (электрлік тартым күшімен байланысқан) бөлуге жеткіліксіз. Мұндай жағдайда "оптикалық жолақ аралығы" мен "электрондық жолақ аралығы" (немесе "көліктік аралық") арасында ерекшелік туындайды. Оптикалық жолақ аралығы – фотондардың жұтылу шегі, ал көліктік аралық – бір-бірімен байланыспаған электрон-тозаң жұбын құру шегі. Оптикалық жолақ аралығы көліктік жолақ аралығынан энергия жағынан төмен. Кремний, галлий арсениді сияқты көптеген бейорганикалық жартылай өткізгіштерде электрондар мен тозаңдардың өзара әрекеттесуі өте аз (экзитонның байланысу энергиясы өте төмен), сондықтан оптикалық және электрондық жолақ аралықтары шамамен бірдей, және олардың арасындағы айырмашылыққа мән берілмейді. Дегенмен, кейбір жүйелерде, соның ішінде органикалық жартылай өткізгіштер мен бір қабырғалы көміртек нанотүтікшелерінде бұл ерекшелік маңызды болуы мүмкін.

Басқа квазибөлшектердің жолақты аралықтары

Фотоникада жолақты бос кеңістіктер немесе тоқтау жолақтары – фотон жиіліктерінің мөлшері, егер туннельдеу эффектілерін ескермесек, онда фотондар материал арқылы өте алмайды. Мұндай қасиеттерді көрсететін материал фотоникалық кристалл деп аталады. Гипербіртектілік тұжырымы фотоникалық кристаллдардан асып, фотоникалық жолақты бос кеңістік материалдарының ауқымын кеңейтті. Суперсимметриялық кванттық механикадағы әдісті қолдану арқылы, кристаллдар мен квазикристаллдардың жолақты бос кеңістіктерімен толыққандай сәйкес келетін жаңа оптикалық ретсіз материалдар класы ұсынылды. Осыған ұқсас физика фононикалық кристалдағы фонондарға да қатысты.