Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьшения длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Топ:
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж...
Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...
Интересное:
Наиболее распространенные виды рака: Раковая опухоль — это самостоятельное новообразование, которое может возникнуть и от повышенного давления...
Мероприятия для защиты от морозного пучения грунтов: Инженерная защита от морозного (криогенного) пучения грунтов необходима для легких малоэтажных зданий и других сооружений...
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Дисциплины:
2017-09-10 | 918 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Конспект лекций 8
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
(ФТТ)
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Зонная теория твердых тел
Твердые тела – это тела, имеющие кристаллическую решетку.
Взаимодействие между атомами в кристаллической решетке приводит к смещению и расщеплению энергетических уровней – они расширяются в зоны.
Заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних валентных электронов, которые слабо связаны с атомов, и высокие уровни, не занятые электроны.
Валентные электроны могут переходить от атома к атому.
Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах заштрихованных на рис. областей (разрешенных энергетических зон).
Каждая зона вмещает столько дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Расстояние между соседними уровнями в зоне эВ (т.е. зона практически непрерывна).
Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.
Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории
Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.
У металлов-проводников запретной зоны нет, а валентная зона и зона проводимости могут даже перекрываться. Поэтому, электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень, т.е. участвовать в проводимости.
|
У полупроводников запрещенная зона достаточно узка ( DW порядка 1 эВ), поэтому переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко: либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию D W.
У диэлектриков ширина запретной зоны гораздо больше 1 эВ (например, для NaCl D W =6 эВ), поэтому электроны практически не имеют возможности осуществить переход из валентной зоны в зону проводимости.
При температурах, близких к 0 К, диэлектрики, так как переход электронов в зону проводимости не происходит.
С повышением температуры полупроводники ведут себя как проводники: при нагревании у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость полупроводников в этом случае увеличивается.
К полупроводникам относятся кристаллические вещества, у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещённой зоны лежит в пределах от 0,1 эВ до 4 эВ. Самым характерным свойством полупроводников является уменьшение удельного сопротивления с ростом температуры. Очевидно, что с приближением к абсолютному нулю полупроводник становится диэлектриком. Отличает полупроводники от металлов также двойственная природа носителей заряда, обеспечивающих электропроводимость.
От температуры
Электрические свойства полупроводников определяются как концентрацией носителей тока, так и характером их взаимодействия с атомами кристаллической решетки. Изменение концентрации носителей тока при изменении температуры при этом имеет более резкую зависимость, которая в основном и определяет проводимость полупроводника.
|
Удельная проводимость чистых полупроводников
- const для данного полупроводника
Зависимость ln от 1/Т линейная и по её наклону можно экспериментально определить ширину запрещённой зоны
Экспериментальным путем установлено, что сопротивление полупроводников с повышением температуры уменьшается приблизительно по экспоненте:
где ΔЕ - энергия активации;
k – постоянная Больцмана, равняется 1,38·10-23 Дж/К;
Т – абсолютная температура;
А – коэффициент, постоянный для данного вещества.
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Транзисторы
Р-n -переходы обладают не только выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов
Транзистор (или полупроводниковый триод) работает подобно лампе триод. Ток в коллекторе (соответствует анодному току) управляется напряжением на базе (аналогия сетки).
Между Э и Б прикладывается напряжение в прямом направлении, а между Б и К – обратное.
При таком включении дырки переходят в базу и диффундируют к коллектору. Здесь (на границе Б-К) дырки захватываются полем (притягиваются к «-» заряженному коллектору) и изменяют ток коллектора.
Т.е. прикладывая между Э и Б переменное напряжение, получаем в цепи коллектора переменный ток, а на Rвых >> Rвх Uвых значительно превышает Uвх (до 10000 раз).
Транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения, и мощности.
Контакт двух металлов
Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А 1 и А 2, т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если A 1 <A 2 (этот случай изображен на рис. а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, — вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. б).
|
Т.к. уровни Ферми совпадают, а Авых не изменяется (const для каждого Ме), то потенциальная энергия электрона в точке А и В будет различной, т.е. возникает разность потенциалов:
- внешняя контактная разность потенциалов
Между внутренними точками металлов возникает
- внутренняя контактная разность потенциалов
и зависят от химического состава и t0 соприкасающихся Ме.
Термоэлектрические явления
Явление Зеебека
В замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную t0, возникает электрический ток.
(термо ЭДС)
(при )
Причина: Положение уровня Ферми зависит от t0: если t0 контактов разные, то разными будут и внутренние контактные . Сумма скачков потенциалов отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока.
Явление Зеебека используется:
· для измерения t0 (термопары);
· для генерации электрического тока (термобатареи для преобразования солнечной энергии в электрическую)-.
Явление Пельтье
При прохождении тока через контакт двух различных проводников выделяется или поглощается дополнительная теплота в зависимости от направления тока (дополнительная по отношению к джоулевой теплоте).
В отличие от Qдж I2, Qп I.
Электроны по разную сторону спая обладают различной энергией. Если электроны пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток энергии они отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая энергию у кристаллической решетки – спай А охлаждается.
Явление Пельтье используется:
· в термоэлектрических полупроводниках,
· холодильниках
· в электронных приборах.
Явление Томсона
При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье.
|
В более нагретой части проводника электроны имеют большую Ек, чем в менее нагретой.
Двигаясь в направлении убывания t0, они отдают часть своей энергии кристаллической решетке – происходит выделение теплоты. И наоборот, двигаясь в сторону возрастания t0, они забирают у решетки – она охлаждается.
Закон Дюлонга и Пти
В классической теории теплоемкости твердое тело рассматривается как:
1. Совокупность независимых друг от друга частиц, совершающих колебания с одной и той же частотой;
2. Каждая частица обладает 3 степенями свободы;
3. На каждую степень свободы приходится ½ кТ кинетической энергии и ½ кТ потенциальной энергии;
4. Средняя энергия колеблющейся частицы
5. Энергии 1 моля вещества:
,
где R=NK=8.31 Дж/моль к
6. Атомная теплоемкость одноатомных твердых тел (Закон Дюлонга и Пти):
(1)
т.е. теплоемкость твердых тел не зависит от t0 и равна 3R.
7. Экспериментально закон Дюлонга и Пти подтверждается для большинства веществ только при комнатной t0.
Вблизи абсолютного нуля теплоемкость тел пропорциональна Т 3, и только при достаточно высоких температурах, характерных для каждого вещества, выполняется условие (1). Алмаз, например, имеет теплоемкость, равную 3 R при 18000 К. Однако для большинства твердых тел комнатная температура является уже достаточно высокой (см. рисунок ниже).
Причина противоречия классической теории теплоемкости экспериментальным данным:
а) теория предполагает, что атомы колеблются независимо друг от друга с одинаковой частотой. На самом деле атомы в твердом теле связаны очень прочно и колеблются с разными частотами.
б) колеблющийся атом обладает не постоянной энергией 3 кТ, а дискретными значениями энергий, как у квантового осциллятора т.е. закон равномерного распределения энергии по степеням свободы должен быть заменен формулой Планка.
Теория Дебая
1. Система, состоящая из N атомов, обладает 3N степенями свободы.
2. В системе возникает 3N колебаний, совершающихся с различными (собственными) частотами.
3. Число собственных колебаний твердого тела (z), имеющие частоты, меньше :
где V – объем тела
- скорость распространения колебаний в твердом теле.
4. max число собственных колебаний
5. max частота этих колебаний
;
где - число атомов в единице объема
6. Число собственных колебаний тела dz, приходящееся на интервал частот от до :
7. Энергия dz колебаний, имеющих частоты в интервале от до :
8. Энергия всего твердого тела:
где: ; - характеристическая температура Дебая
9. Атомная плотность твердого тела:
(3) – формула Дебая
Преимущества формулы Дебая:
а) При высоких температурах (Т >> )
т.е. приводит к закону Дюлонга и Пти.
|
б) Для низких температур (Т << )
где для каждого твердого тела.
Т.е. в области низких температур формула Дебая приводит к кубической зависимости теплоемкости от температуры, что полностью соответствует опытным данным.
Конспект лекций 8
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
(ФТТ)
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Зонная теория твердых тел
Твердые тела – это тела, имеющие кристаллическую решетку.
Взаимодействие между атомами в кристаллической решетке приводит к смещению и расщеплению энергетических уровней – они расширяются в зоны.
Заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних валентных электронов, которые слабо связаны с атомов, и высокие уровни, не занятые электроны.
Валентные электроны могут переходить от атома к атому.
Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах заштрихованных на рис. областей (разрешенных энергетических зон).
Каждая зона вмещает столько дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Расстояние между соседними уровнями в зоне эВ (т.е. зона практически непрерывна).
Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.
Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории
Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.
У металлов-проводников запретной зоны нет, а валентная зона и зона проводимости могут даже перекрываться. Поэтому, электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень, т.е. участвовать в проводимости.
У полупроводников запрещенная зона достаточно узка ( DW порядка 1 эВ), поэтому переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко: либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию D W.
У диэлектриков ширина запретной зоны гораздо больше 1 эВ (например, для NaCl D W =6 эВ), поэтому электроны практически не имеют возможности осуществить переход из валентной зоны в зону проводимости.
При температурах, близких к 0 К, диэлектрики, так как переход электронов в зону проводимости не происходит.
С повышением температуры полупроводники ведут себя как проводники: при нагревании у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость полупроводников в этом случае увеличивается.
|
|
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...
Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!