Энергия активации полупроводника: суть, применение на практике
Энергия активации - одна из важнейших характеристик полупроводников. Она определяет их электрические свойства и применение в электронике. Но что скрыто за этим термином? Давайте заглянем вглубь полупроводника и разберемся.
Сущность энергии активации полупроводника
Энергия активации полупроводника - это минимальная энергия, которую должны получить электроны донорной примеси, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. Иными словами, это энергетический барьер между запрещенной зоной полупроводника.
Энергия активации в физике — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.
Данное определение базируется на зонной теории твердого тела. Согласно ей, в полупроводнике есть две основные энергетические зоны:
- Валентная зона, полностью заполненная электронами
- Зона проводимости, свободная от электронов
Между ними находится запрещенная зона. Чтобы электрон смог перескочить эту "пропасть" от валентной зоны к зоне проводимости, ему нужно получить дополнительную энергию - как раз величину энергии активации ΔE. Именно благодаря этому "прыжку" через зазор возникает электропроводность полупроводника.
Как измеряется энергия активации
Для экспериментального определения энергии активации полупроводника используется следующая установка:
- Образец полупроводника с контактами
- Термометр и термостат для контроля температуры
- Источник нагрева (электронагреватель)
- Измеритель сопротивления (омметр)
Суть метода заключается в следующем:
- Измерить сопротивление образца R при разных температурах T
- Построить график зависимости R(T)
- Определить наклон этой кривой и рассчитать энергию активации по формуле:
ΔE = b·k, где k - постоянная Больцмана, а b - тангенс угла наклона.
Таким образом можно найти один из ключевых параметров любого полупроводника.
| T, °C | 20 | 30 | 40 |
| R, Ом | 50 | 40 | 30 |
На основе такой таблицы измерений строится график R(T) и вычисляется энергия активации ΔE.
Влияние на свойства полупроводника
Как уже отмечалось, энергия активации напрямую влияет на электропроводность полупроводника. Чем меньше эта энергия, тем легче электронам "перепрыгивать" запрещенную зону и тем выше проводимость материала.
Кроме того, энергия активации тесно связана с концентрацией носителей заряда в полупроводнике. При низких значениях ΔE плотность как электронов проводимости, так и дырок в валентной зоне возрастает.
Хотя запрещенная зона у полупроводников уже, но концентрация носителей в них выше. Причем этот разрыв возрастает с повышением температуры. Поэтому полупроводники "отрываются" от диэлектриков по электропроводности при нагревании.
Таким образом, энергия активации - не только важный формальный параметр. Она непосредственно влияет на самые главные характеристики полупроводников.
Применение на практике
Знание энергии активации важно при практическом применении полупроводников в электронных устройствах. В зависимости от назначения прибора выбирают материал с нужным значением ΔE.
Например, для создания транзисторов и интегральных схем необходимы полупроводники с низкой энергией активации - до 0,1 эВ. Это обеспечивает высокую электропроводность и быстродействие микросхем.
А вот для фотоэлементов и солнечных батарей требуются полупроводники с широкой запрещенной зоной порядка 1—3 эВ. Благодаря этому они эффективно преобразуют свет в электричество.
Особые случаи и интересные факты
Существует класс материалов, энергия активации которых исключительно мала - около 0,01 эВ. Это так называемые сверхпроводники. При критической температуре они полностью теряют электрическое сопротивление.
Перспективным направлением являются полупроводниковые свойства графена. Уникальная структура этого материала из атомов углерода придает ему ряд необычных качеств.
Энергия активации в других областях науки
Понятие энергии активации широко используется и за пределами физики твердого тела. Например, в химической кинетике оно характеризует минимальную энергию, необходимую для начала реакции.
Переходное состояние - состояние системы, при котором уравновешены разрушенные и созданные связи.
В этом переходном состоянии и накапливается энергия активации. Преодолев ее, система переходит к образованию новых соединений.
Как снизить энергию активации
Существуют различные методы уменьшения энергии активации. Например, легирование полупроводника специальными примесями. Или наноструктурирование - переход к нанокристаллам и квантовым ямам.
Понижение ΔE может быть полезно для создания более эффективных солнечных элементов и термоэлектрических модулей. Однако здесь нужен разумный баланс параметров.
Плюсы и минусы низкой энергии активации
Как уже отмечалось, уменьшение ΔE повышает электропроводность полупроводника. Но здесь есть и обратная сторона:
- Повышается утечка носителей заряда, что приводит к росту потребляемой мощности
- Ухудшается чувствительность sensor-устройств, построенных на полупроводниках
Поэтому в каждом конкретном случае нужен взвешенный подход к выбору оптимального значения ΔE.
Эволюция представлений об энергии активации
Первые упоминания термина "энергия активации" встречаются в работах Сванте Аррениуса. Он исследовал связь энергии и скорости химических реакций.
В дальнейшем это понятие распространилось и на другие области, в частности физику твердого тела. Здесь оно приобрело особый смысл барьера между зонами в полупроводниках.
Перспективы применения новых полупроводниковых материалов
Активно ведутся разработки инновационных полупроводников - графена, дихалькогенидов переходных металлов и др. Они обещают рекордные характеристики и необычные свойства.
К примеру, в графене электроны ведут себя как релятивистские частицы и разгоняются до сверхвысоких скоростей. Это открывает путь к сверхбыстрой электронике.
Нерешенные вопросы и направления исследований
Несмотря на многолетнее изучение, энергия активации до конца не познана. Остаются открытыми вопросы природы сверхпроводимости, механизмов переноса заряда в новых материалах.
Актуальными задачами являются поиск путей управления энергией активации, создание полупроводников с "перестраиваемой" запрещенной зоной.
Решение этих проблем откроет дорогу технологиям будущего в электронике и энергетике.