Элементы физики твёрдого тела
advertisement
Новосибирский государственный технический университет Элементы физики твердого тела Кафедра прикладной и теоретической физики Суханов И.И. Предметный указатель • • • • • • • • • • Дискретные уровни энергии электрона в атоме Энергия электрона в классическом атоме водорода Боровская модель атома водорода Уровни энергии атома водорода Расщепление уровней энергии Принцип Паули Ферми - газ Проводники, диэлектрики, полупроводники Собственный полупроводник Примесный донорный полупроводник – При нулевой температуре – При Т > 0 НГТУ • • • • • Примесный акцепторный полупроводник – При нулевой температуре – При Т > 0 Исходное состояние изолированных кристаллов р-n перехода – Концентрация подвижных носителей – Неравенство химпотенциалов Равновесное состояние р-n перехода – Диффузия, контактное поле – Выравнивание химпотенциалов Прямое включение р-n перехода Глоссарий Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Дискретные уровни энергии электрона в атоме Классический атом Сохраняются: • Полный момент импульса электрона M т.к. сила электростатического взаимодействия электрона с положительным зарядом Z атомного ядра центральна • Полная энергия электрона E E Eкин U( r ) mv2 2 Ze2 r mv2r 2 Uэфф Uэфф M НГТУ 2 2mr U ( r ) 2 Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Энергия электрона в классическом атоме водорода НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Боровская модель атома водорода Стоячие волны на струне 2l n Боровские орбиты электрона 2 rn n M mvrn n НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Уровни энергии и радиальные распределения электронного облака атома водорода НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Расщепление уровней энергии Взаимодействие N атомов приводит к расщеплению каждого родительского уровня атома на N подуровней. Чем меньше расстояние между атомами a, тем больше энергия W их взаимодействия, тем больше расщепление. НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Принцип Паули В каждом квантовом состоянии может находиться только один электрон На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами, т.е. со спиновыми квантовыми числами 1 ms 2 НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Ферми - газ fF (E) НГТУ 1 E EF e kT 1 Функция Ферми-Дирака – функция распределения свободных электронов (фермионов) по энергиям. При Т 0 электроны попарно заполняют уровни энергии, начиная с самого нижнего. Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Проводники, диэлектрики, полупроводники а) проводник с одним электроном на внешней электронной оболочке атома б) проводник с двумя электронами на внешней оболочке и перекрытием энергетических зон в) диэлектрик, полупроводник Eg НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики - ширина запрещённой зоны Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Собственный полупроводник – генерация подвижных носителей заряда Зона проводимости Валентная зона НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Примесный донорный полупроводник при абсолютном нуле температуры НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Примесный донорный полупроводник – генерация подвижных электронов НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Примесный акцепторный полупроводник при абсолютном нуле температуры НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Примесный акцепторный полупроводник – генерация дырок НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Контакт полупроводников - дырочного и электронного Исходное состояние – изолированные кристаллы р- и n- проводимости. Равновесные концентрации носителей НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Контакт полупроводников - дырочного и электронного Исходное состояние – изолированные кристаллы р- и n- проводимости. Неравенство энергий Ферми (химпотенциалов) НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Равновесие - в каждом из кристаллов процессы генерации свободных носителей и их рекомбинации скомпенсированы Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Равновесное состояние р-n перехода 1.Разница концентраций основных подвижных носителей приводит к их диффузии 2.Диффузия – к разделению зарядов, возникновению контактного поля, препятствующего дальнейшей диффузии 3.Ограниченный контактным полем диффузионный ток основных носителей уравновешивается током экстракции неосновных носителей – устанавливается равновесие потоков зарядов НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Равновесное состояние р-n перехода Выравнивание химических потенциалов Из-за неравенства электрических потенциалов сдвигаются уровни энергии частей р-n перехода. Равновесное состояние достигается при выравнивании электрохимических потенциалов НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Прямое включение р-n перехода Внешнее поле E направлено против запирающего контактного поля Eк , потенциальный барьер для основных носителей снижается. Достаточно небольшого поля , чтобы вообще компенсировать контактное поле значительно возрастает поток основных носителей через переход. В то же время поток неосновных носителей не изменится, т.к. для них - переход не является потенциальным барьером. Поэтому полный ток через – переход не равен нулю. НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Глоссарий Зона проводимости – верхняя частично заполненная энергетическая зона Валентная зона – верхняя из полностью заполненных энергетических зон Минимальная энергия зоны проводимости EC Максимальная энергия валентной зоны EV Энергия Ферми, химпотенциал E F Энергия донорного уровня E D Энергия акцепторного уровня E A НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела Глоссарий (продолжение) • Диффузия подвижных носителей заряда – возникновение направленного потока подвижных носителей при наличии градиента концентрации • Экстракция неосновных носителей – движение неосновных носителей заряда под действием контактного поля • Электрохимический потенциал = энергия Ферми, смещённая на величину потенциальной энергии электрического поля EF ( q) НГТУ Кафедра прикладной и теоретической физики Слайд-конспект лекций по физике твердого тела
