Квазиуровни Ферми. Необходимое условие создания инверсной населенности в p-n-переходе

Квазиуровень Ферми (Quasi Fermi level) — энергия, используемая в квантовой механике и особенно в физике твёрдого тела при описании изменения концентрации носителей заряда, которые вызваны приложением внешнего потенциала к полупроводнику.

Когда полупроводник находится в состоянии термодинамического равновесия, тогда функция распределения электронов на энергетических уровнях описываетсяраспределением Ферми-Дирака. В этом случае уровень Ферми определяется как уровень, где вероятность нахождения электрона равна 1/2.

В термодинамически неравновесной системе (например, возникающей при пропускании электрического тока через полупроводник или при его освещении) заполнение энергетических уровней электронами и дырками меняется. Учитывая то, что время релаксации электронов в подзонах зоны проводимости значительно меньше чем их время жизни, можно предположить, что электроны находятся в состоянии термодинамического равновесия в зоне проводимости. Это относится и к дыркам в валентной зоне. Что касается электронов, то можно считать квазиуровень Ферми обозначающим термодинамическое равновесие в зоне проводимости, а для дырок как обозначающим термодинамическое равновесие в валентной зоне. Здесь необходимо подчеркнуть, что при протекании тока можно говорить о термодинамическом квазиравновесном, а не равновесном состоянии.

В случае отсутствия токов и внешнего смещения, то есть в термодинамическом равновесии, квазиуровни электронов и дырок совпадают.

Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса - Люммля энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона - зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона).

Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Электроны переходят в состояние с некоторой энергией Fn вблизи потолка валентной зоны. Рассматриваемая ситуация иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 1. Так как все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а все состояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, то переходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электронов становятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости - валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар и испусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия, при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами, коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуация отвечает состоянию с инверсной отвечает состоянию с инверсной плотностью населенности.

52. Состав атомного ядра. Энергия связи ядра.

1. Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Заряд протона по абсолютному значению равен заряду электрона. Протон и нейтрон являются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы, которая называется нуклоном. Количество протонов в ядре (заряд ядра Zе) совпадает с атомным номером соответствующего химического элемента в периодической системе Менделеева. Количество нейтронов в ядре обозначается N.
Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов в ядре: А = Z+N. Символическое обозначение ядра:
где Х - обозначение атома данного химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра с одним и тем же зарядом е, но с разными А, называются изотопами.

Энергия связи атомного ядра Есв – величина по абсолютной величине равная работе, которую надо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Энергия связи атомного ядра является разностью между энергией протонов и нейтронов в ядре и их энергией в свободном состоянии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться энергия, равная Есв.