“Tarian” spin elektronik dalam semikonduktor tipe-p

Di sini, kita akan meneliti peran yang dimainkan oleh spin elektronik dalam doping dengan pengotor trivalen.

Spin-singlet dan prinsip pengecualian Pauli

Gambar 1 mengilustrasikan proses ini dengan mengingat kembali bahwa sejumlah energi (yang berasal dari termal) diperlukan untuk memutus ikatan kovalen. Tanpa mengabaikan keumuman, mari kita lihat sampel Si dengan volume satuan.

Gambar 1: Persegi panjang merah kecil di bagian atas, tempat status spin elektron ditentukan (panah biru), putus setelah agitasi termal. Oleh karena itu, sebuah elektron dibebaskan, yang alih-alih memperoleh energi yang termasuk dalam pita konduksi, melengkapi status spin singlet dari salah satu elektron valensi Si yang mencoba mengikat elektron yang hilang dari pengotor trivalen.

Pengotor trivalen tunggal yang memperoleh elektron kemudian menjadi ion negatif seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2. Dibandingkan dengan tiga elektron yang tersisa, elektron berlebih terikat lebih lemah pada ion tersebut, sehingga menempati tingkat energi sedikit lebih tinggi daripada puncak pita valensi. Kehadiran sejumlah makroskopis pengotor trivalen menghasilkan spektrum yang sangat padat yang berpusat pada ?εa =?εg+?, Di mana εg> 0 adalah celah pita sementara 0 < ? ? εgMenurut prinsip pengecualian Pauli, setiap level ditempati oleh paling banyak dua elektron dengan spin antiparalel.

Gambar 2: Pembentukan ion negatif setelah perolehan elektron dari ikatan kovalen yang putus

Persamaan fungsional untuk potensi kimia

Berdasarkan serangkaian turunan, persamaan berikut dapat diturunkan:

Persamaan transenden dalam μ (T) ini dapat dibuat aljabar dengan beralih ke fugasitas z (T) = exp (μ(T) / kBT):

Dimana:

Kesimpulan

Kami menyimpulkan analisis parsial ini, betapapun kayanya konten fisik, dengan menyoroti peran yang dimainkan oleh pembentukan status spin-singlet yang mencerminkan prinsip pengecualian Pauli. Oleh karena itu, kita berada di hadapan efek kuantum yang khas, yang luput dari persepsi kita pada dasarnya berdasarkan mekanika klasik.