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电力电子科学笔记:半绝缘砷化镓

2024-06-04 16:49:27 Marcello Colozzo 阅读:
在之前的文章中开发的数学形式使我们能够发现砷化镓(GaAs)的非典型特性,这些特性使其在技术上非常有趣。

在之前的文章中开发的数学形式使我们能够发现砷化镓(GaAs)的非典型特性,这些特性使其在技术上非常有趣。RASednc

关于物质凝聚态的问题和答案

固体物理学试图回答这个问题:是什么将固体结合在一起?这个重要的问题可以用一种粗暴但有效的方式重新表述:当我们击打墙壁(或任何坚硬表面)时,我们会感受到什么?答案:固体凝聚力。更准确地说,我们会感受到带相反电荷的粒子(电子和原子核)之间的静电吸引力。然而,其他不同性质的力(磁力和引力)可以忽略不计。RASednc

问题:关于凝聚态,量子力学能告诉我们什么?我们特别要提到电子自旋和泡利不相容原理所起的作用。下一节中的答案希望能给读者一点启发。RASednc

共价键vs离子键

共价键由两个电子组成,每个参与键合的原子都有一个电子。至于自旋角动量,由两个电子组成的系统处于单重态,在经典力学的(不精确)语言中,这可以理解为自旋矢量单电子自旋的“反平行性”。回想一下,电子遵循泡利不相容原理,因此每个量子态最多只能有一个电子。考虑到自旋自由度,我们可以看到单个共价键电子占据不同的状态,因此遵守不相容原理。RASednc

关于轨道自由度,我们发现电子倾向于在两个原子之间定位。但是,定位是局部的,否则电子会根据海森堡不确定性原理移开。精确确定两个电子之一的位置意味着动量的无限不确定性,因此也意味着被测粒子的速度的无限不确定性。在波动力学的形式中,我们期望薛定谔方程的解为驻波类型,传播的缺失保证了上述单个电子的局部定位,因此保证了共价键的稳定,而相应的凝聚态定义了所谓的共价晶体。RASednc

然而,在离子键中,相反符号的离子之间的静电吸引力提供了固体的内聚能,其中包括离子晶体。还有其他类型的键,但超出了本文的讨论范围。不过需要注意的是,即使键是由典型的量子效应产生的,内聚能仍然是来自静电吸引力。RASednc

砷化镓案例

实验上很难区分离子晶体和共价晶体。例如,砷化镓是一种以共价键为主的晶体,这意味着共价键是这种无机化合物晶体结构中的主导键。它的晶体结构与硫化锌(ZnS)的结构相同。RASednc

RASednc

图1:立方硫化锌的晶体结构(来源:Kittel C.,《固体物理学导论》)RASednc

硫化锌在金刚石结构中结晶,其中锌(Zn)和硫(S)原子分布恰当(图1)。RASednc

尽管具有禁带,但由于其本征浓度非常低,纯GaAs在室温下表现得像绝缘体。但是,可以通过掺杂GaAs来调节电导率。进入As晶格位置的氧原子表现为供体,其能级为εd=−0.7eV (我们将该能级的零点置于导带底部)。另一方面,铬原子表现为受体,其能级为εa=−0.81eV。RASednc

根据之前文章中得出的结果,如果受体和供体的浓度处于同一数量级,即使在室温下,化学势也几乎处于禁带的一半。因此,无论工作温度如何,半导体都处于本征模式。具有低电荷载流子浓度的GaAs也被称为半绝缘GaAs,因为它在电子电路制造中被用作绝缘基板。RASednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Scientific Notes on Power Electronics: semi-insulating gallium arsenide,由Ricardo Xie编译。)RASednc

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责编:Ricardo
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