Электроны отсутствуют

Работой выхода называют работу, которая необходима для перевода электрона с уровня Ферми на уровень Wa (3. 16). Уровень Ферми в качестве исходного выбран не случайно. Если, например, из металла удалить электроны с энергией, лежащей ниже уровня Ферми, то электроны, обладающие большей энергией, будут переходить на освободившиеся лежащие ниже уровни и металл будет нагреваться за счет освободившейся энергии, т. е. часть работы пойдет на нагрев металла. Если удалить электроны с энергией, лежащей выше уровня Ферми, то при этом равновесие электронов также будет нарушено и часть освободившихся уровней займут электроны, обладающие меньшей энергией. В процессе этого металл охладится и часть работы по удалению электрона из металла будет совершена за счет его внутренней энергии.

Вторичной эмиссией называется явление выхода электронов из «холодного» металла под действием бомбардировки его первичными электронами. Первичные электроны, обладающие относительно большой скоростью, встреча* на своем пути поверхность металла, тормозятся и отдают свою энергию его электронам (например, аноду электронной лампы).

Для того чтобы электроны, обладающие наибольшей энергией, могли покинуть металл, эта энергия должна быть равна либо превышать энергию, известную под названием полной работы выхода электронов из металла W0. В нее входят: 1) составляющая, требующаяся для преодоления тормозящего действия поля, существующего у поверхности металла в результате появления здесь так называемого двойного зарядного слоя; 2) составляющая, необходимая для преодоления сил кулоновского притяжения электрона к металлу.

Увеличение падения напряжения АС7К с ростом плотности тока вызывается необходимостью повышения энергии ионов, бомбардирующих катод, с тем чтобы получить более высокие значения коэффициента ионно-электронной эмиссии у и тем самым обеспечить рост электронной составляющей плотности тока из катода. Одновременно повышается и ионная составляющая тока, так как электроны, обладающие более высокой энергией, производят в катодной части разряда более! интенсивную ионизацию атомов газа. Это и приводит к повышению числа генерируемых здесь ионов.

При повышении накала катода число электронов, вышедших из катода, увеличивается, отрицательный объемный заряд возрастает и результирующее поле около катода становится тормозящим. Преодолеть это поле могут только электроны, обладающие достаточной начальной скоростью. Часть электронов, имеющих при вылете меньшую скорость, будут возвращаться на катод. В этом случае анодный ток /а будет меньше тока эмиссии /с. Такой режим работы диода называют режимом объемного заряда.

Из этой энергетической диаграммы следует, что в зоне проводимости арсенида галлия могут существовать электроны, обладающие одной и той же энергией, но имеющие различные квазиимпульсы, а следовательно, и различные эффективные массы:

При более высоком напряжении накала с поверхности катода выходит большее число электронов, объемный заряд увеличивается. Электроны, обладающие малыми начальными скоростями, под влиянием отрицательного объемного заряда, образованного другими электронами, возвращаются на катод. Объемная плотность электронного «облачка» у катода возрастает настолько, что образуется область отрицательного потенциала (кривая 3 на 2-2), минимальное значение которого С/мив обычно находится на расстоянии сотых или десятых долей миллиметра от поверхности катода. Таким образом, вблизи катода (0 < х < агмин} существует тормозящее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от катода к аноду. Для преодоления этого тормозящего поля начальная скорость электронов v0, покидающих катод, должна быть больше некоторого значения, определяемой потенциалом ?7МИН:

Спектр собственного поглощения достаточно широк, так как при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, лежащие дальше от дна зоны проводимости. Эти свободные электроны, обладающие более высокой энергией — «горячие» электроны — в процессе движения за некоторое среднее время tp рассеивают избыток энергии на кристаллической решетке и опускаются на более низкие свободные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости. Причем время ?р, как правило, значительно меньше среднего времени жизни свободной частицы, разделяющего моменты генерации и рекомбинации частиц.

поле. Анода достигают только электроны, обладающие начальной энергией, достаточной для преодоления минимума потенциала. Электроны с меньшей начальной энергией возвращаются на катод. В этом случае анодный ток меньше тока эмиссии и при заданной величине эмиссии катода зависит только от потенциала анода, так как изменить распределение потенциала в пространстве анод — катод можно только за счет изменения анодного напряжения. Режим, при котором анодный ток ограничивается объемным зарядом, называется режимом объемного заряда. Для тоге чтобы при достаточно большой эмиссии катода был обеспечен режим насыщения, необходимо значительно увеличить анодное напряжение. Режим объемного заряда типичен для большинства электронных приборов.

При более высоком напряжении накала с поверхности катода выходит большее число электронов, объемный заряд увеличивается. Электроны, обладающие малыми начальными скоростями, под влиянием отрицательного объемного заряда, образованного другими электронами, возвращаются на катод. Объемная плотность электронного «облачка» у катода возрастает настолько, что образуется область отрицательного потенциала (кривая 3 на 2-2), минимальное значение которого С/мив обычно находится на расстоянии сотых или десятых долей миллиметра от поверхности катода. Таким образом, вблизи катода (0 < х < агмин} существует тормозящее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от катода к аноду. Для преодоления этого тормозящего поля начальная скорость электронов v0, покидающих катод, должна быть больше некоторого значения, определяемой потенциалом ?7МИН:

Спектр собственного поглощения достаточно широк, так как при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, лежащие дальше от дна зоны проводимости. Эти свободные электроны, обладающие более высокой энергией — «горячие» электроны — в процессе движения за некоторое среднее время tp рассеивают избыток энергии на кристаллической решетке и опускаются на более низкие свободные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости. Причем время ?р, как правило, значительно меньше среднего времени жизни свободной частицы, разделяющего моменты генерации и рекомбинации частиц.

В кристаллических полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) часть разрешенных зон (с меньшей энергией) полностью заполнена электронами, а в остальных электроны отсутствуют. В верхней заполненной зоне находятся электроны, расположенные на внешних оболочках атомов и участвующие в химических связях с соседними атомами, так называемые валентные электроны. Поэтому эту зону называют валентной. Нижнюю, не занятую электронами зону разрешенных уровней называют зоной проводимости.

При температуре —273° С все энергетические уровни валентной зоны полностью заняты электронами. В зоне проводимости электроны отсутствуют. В таком кристалле все валентные электроны создают ковалентные связи атомов (см. 2), и свободные электроны отсутствуют. Поэтому при температуре —273° С идеальный кристалл кремния является диэлектриком. По мере-нагревания полупроводника часть электронов под действием теплового механизма возбуждения (добавочной тепловой энергии) разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит вероятностный характер.

Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические уровни заняты электронами, называется заполненной. В полупроводниках верхняя из заполненных зон называется валентной. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется свободной. В полупроводниках нижняя свободная зона называется зоной проводимости. Шириной запрещенной зоны W3 называют разность энергии между нижней границей зоны проводимости Wc и верхней границей валентной зоны WB.

Разрешенные зоны, в которых электроны отсутствуют, называются свободными (I). Свободная зона, в которой при температуре О К электронов нет, а при более высокой температуре они могут в ней находиться, называется зоной проводимости. Она находится выше валентной зоны (III) — верхней из заполненных зон, в которых все энергетические уровни заняты электронами при температуре О К.

При температуре Т = О К примесные атомы не ионизированы, все валентные электроны образуют ковалентные связи, валентная зона заполнена, а в зоне проводимости электроны отсутствуют. С повышением температуры развивается процесс ионизации примесей. При очень низких температурах D ^> 1 и единицей под корнем в (9-62) можно пренебречь.

(возбужденные электроны отсутствуют) . В квантовой механике показано, что плотность разрешенных уровней больше для больших значений энергии и, следовательно, электронов с большей энергией больше, чем- электронов с меньшей энергией. Распределение электронов по величинам энергии в зоне проводимости можно изобразить графиком, представленным на 1.6.

При температуре Т = О К примесные атомы не ионизированы, все валентные электроны образуют ковалентные связи, валентная зона заполнена, а в зоне проводимости электроны отсутствуют. С повышением температуры развивается процесс ионизации примесей. При очень низких температурах D ^> 1 и единицей под корнем в (9-62) можно пренебречь.

Разрешенные зоны, в которых электроны отсутствуют, называются свободными (I). Свободная зона, в которой при температуре О К электронов нет, а при более высокой температуре они могут в ней находиться, называется зоной проводимости. Она находится выше валентной зоны (III) - верхней из заполненных зон, в которых все энергетические уровни заняты электронами при температуре О К.

1022 ом-3, поэтому под влиянием соседних атомов образуются непрерывные энергетические зоны. Типичная схема образования энергетических зон показана на 2.7. В заштрихованных областях могут находиться электроны, поэтому они называются разрешенными зонами. В промежутках между этими областями электроны отсутствуют. Такие энергетические области называются запрещенными зонами.

Как видно на 2.12, в энергетической области между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны электроны отсутствуют. Эта область называется запрещенной зоной или энергетическим зазором. Если запрещенная зона очень велика, то при комнатной температуре трудно возбудить электроны в зону проводимости. Поэтому материалы с очень широкой запрещенной зоной не обладают электропроводностью и являются изоляторами. Материалы, у которых в результате взаимного наложения разрешенных энергетических зон запрещенные зоны отсутствуют, электропроводны даже при температуре абсолютного нуля, т. е. являются металлами.

Распределения плотности заряда и электрического поля на контакте Шоттки при обратном смещении показаны на 3.4. Предположим, что концентрация примеси в полупроводнике постоянна (случай равномерного распределения примеси). Если к полупроводнику n-типа приложить по ложительное напряжение, то электроны будут притягиваться к положительному полюсу источника питания и на границе раздела металл — полупроводник возникнет потенциальный барьер, обусловленный перемещением электронов в направлении от металла к полупроводнику. Как показано на 3.4, а, вблизи границы раздела металл — полупроводник электроны отсутствуют, т. е. образуется область, обедненная электронами, с положительным объемным зарядом ионизированных доноров ( 3.4, б). При концентрации доноров Nd, см~3 плотность заряда равна qNd. Поскольку в целом структура должна быть электронейтральной, то со стороны металла накапливается отрицательный заряд, эквивалентный этому положительному заряду. Возникающее при этом электрическое поле показано на 3.4, в. Область с положительным зарядом обеднена свободными электронами и называется обедненным слоем.