Ферми деңгейі

Аймақтық теориядан алынған негізгі мәліметтер. Кристалдарда атомның валенттілік электрондарының энергия деңгейлері үздіксіз, кең жолақтар-рұқсат етілген энергия мәндерінің аймақтарына бөлінеді. Аймақтардың бір бөлігі электрондармен толтырылады, олар   [pic 1] температурада ең аз энергияны алады. Соңғы толтырылған деңгейдің энергиясы Ферми энергиясы деп аталады, ал тиісті деңгей – Ферми деңгейі.

Паули принципіне сәйкес, аймақтың әр энергия деңгейінде қарама-қарсы спиндері бар тек екі Электрон болуы мүмкін. Барлық толтырылған аймақтардың ең жоғарғысы валенттілік деп аталады. Барлық бос орындардың ең төменгі бөлігі өткізгіштік аймағы деп аталады. Толығымен толтырылған валенттік аймақ пен өткізгіштік аймағының арасында энергияның тыйым салынған мәндері бар аймақ бар. Оның ені [pic 2]  белгіленеді (сурет.1а).

[pic 3]

Көптеген жартылай өткізгіштер үшін ол 2 эВ-ден аз. Үшін өте нерав-нөмірлі энергиясын бөлу бойынша атомам кристалл кезінде бөлмелік температура жағдайында мүмкін болып отыр көшу бөлігінде электрондардың бірі валентной аймағының аймаққа өткізгіштігі.

Электрон валенттік аймақтағы жоғарғы аймаққа ауысқан кезде бос орын (тесік) пайда болады. Таза кристалдарда өткізгіштік аймақтағы электрондардың саны валенттік аймақта пайда болған тесіктердің санына тең. Мұндай кристалдар өздерінің жартылай өткізгіштері деп аталады. Ферми деңгейі өзінің жартылай өткізгіштерінде тыйым салынған аймақтың ортасында орналасқан.

Электрондардың (донорлық) санын көбейтетін қоспалар болған кезде (сурет.1Б), электрондардың бір бөлігі өткізгіштік аймағына түседі, ал Ферми деңгейі өткізгіштік аймағының түбіне ауысады. Мұндай жартылай өткізгіштер n типті немесе электронды жартылай өткізгіштер деп аталады. Электрондардың (акцепторлардың) санын азайтатын қоспалар болған кезде электрондар валенттік аймақты толығымен толтырмайды және Ферми деңгейі валенттік аймақтың төбесіне қарай жылжиды (сурет.1в). Электрондармен толтырылмаған күйлер тесіктер деп аталады, өйткені формальды түрде олардың мінез-құлқын оң зарядталған бөлшектердің әрекеті ретінде сипаттауға болады. Мұндай жартылай өткізгіштер (акцепторлы қоспалары бар) p типті жартылай өткізгіштер деп аталады. P типті жартылай өткізгіштерде токтың таралуы сыртқы электр өрісінің әсерінен оң зарядталған бөлшектердің (тесіктердің) бағытталған қозғалысы ретінде сипатталады

Оқшауланған атомда электрондар энергия деңгейлері арасында ауыса алатын сияқты, кристалдардағы электрондар бір аймақтан екінші аймаққа ауыса алады. Қоспалы жартылай өткізгіштерде, электронды және тесіктерде, +0мұндай ауысу ток көзінің электр өрісінің әсерінен жүзеге асырылады. Электронның кері ауысу процесі жарық квантының сәулеленуімен бірге жүруі мүмкін. Электронның жоғары энергиядан төмен энергияға ауысуы кезінде жарық сәулесі жарық диодтары мен жартылай өткізгіш лазерлердің жұмысының негізі болып табылады.

Жартылай өткізгіштердегі популяцияның инверсиясы. Жартылай өткізгіштердегі оптикалық кванттық күшейту, егер оның түбіне жақын өткізгіштік аймағы оның төбесіне жақын валенттік аймаққа қарағанда электрондармен толтырылған болса, байқалуы мүмкін. Квантты шығаратын өтулер санының олардың сіңуімен өтулерден басым болуы төменгі деңгейлерге қарағанда жоғарғы деңгейлерде көп электрондардың болуымен қамтамасыз етіледі, ал екі бағытта да мәжбүрлі өтулердің ықтималдығы бірдей. Толтыру аймақтары әдетте 0,5-тен аз ықтималдығы бар күйлерден 0,5-тен жоғары деңгейлерді толтыру ықтималдығы бар күйлерді бөлетін Ферми квази деңгейлері арқылы сипатталады.

Егер E1-E2 электрондар мен тесіктерге арналған Ферми квази деңгейлері болса, онда  [pic 4]энергиямен ауысуға қатысты популяция инверсиясының шарты (сәулелену жиілігі  [pic 5] –) формуламен өрнектеледі:

 . [pic 6]

Бұл жағдайды сақтау үшін жоғары айдау жылдамдығы қажет, бұл радиациялық ауысуларға байланысты электронды тесік буларының азаюын толтырады. Ол үшін келесі сорғы әдістері қолданылады:

-p-n-өткел, гетеропереход немесе байланыс арқылы ток тасымалдаушыларды инъекциялау ме - талл-шалаөткізгіш (инжекциялық лазерлер);