To tylko jedna z 11 stron tej notatki. Zaloguj się aby zobaczyć ten dokument.
Zobacz
całą notatkę
Fizyka ciała stałego W5a 6. Właściwości elektryczne ciał stałych.
O właściwościach elektrycznych ciała stałego decyduje zachowanie elektronów walencyjnych należących do atomów, z których zbudowane jest ciało. Właściwości elektronów w ciałach stałych wynikają z ich oddziaływania wzajemnego i oddziaływania z atomami (jonami) sieci krystalicznej. 6.1. Model pasmowy ciała stałego W atomach znajdujących się daleko od siebie elektrony zajmują dyskretne poziomy energetyczne. Odległości między poziomami są rzędu 10 eV. Przy zbliżaniu się atomów, na elektrony coraz silniej działają pola atomów sąsiednich. Oddziaływanie to dotyczy przede wszystkim elektronów walencyjnych, najdalej oddalonych od jądra macierzystego atomu. Pod wpływem tych oddziaływań elektrony walencyjne w niektórych ciałach stałych (metale) mogą przemieszczać się pomiędzy poszczególnymi węzłami sieci krystalicznej. Podczas procesu krystalizacji dyskretne poziomy energetyczne elektronów ulegają rozszczepieniu w efekcie czego powstają pasma energetyczne (rys. 6.1). Szerokość pasma zależy od konfiguracji elektronów w atomie i odległości międzyatomowych. Pasmo energetyczne stanowi układ dyskretnych, leżących bardzo blisko siebie, podpoziomów energetycznych. Różnice energii pomiędzy podpoziomami są tak małe, że pasma można traktować jako ciągłe. Należy jednak pamiętać, że w paśmie może znajdować się skończona liczba elektronów określona ilością podpoziomów.
Rys.6.1. Pasma energetyczne w krysztale jako wynik rozszczepienia poziomów
energetycznych poszczególnych atomów
Pasma energetyczne oznacza się w taki sam sposób jak stany kwantowe izolowanego atomu: 1s, 2s, 2p, itd. Najważniejszą rolę odgrywają dwa pasma energetyczne: pasmo walencyjne, utworzone z dyskretnych poziomów elektronów walencyjnych w niewzbudzonym atomie i najbliższe pasmo stanów wzbudzonych tych elektronów, które nosi nazwę pasma przewodnictwa. Przedział energii zabronionej między tymi pasmami nazywa się przerwą energetyczną. Stopień zapełnienia przez elektrony
1pasma walencyjnego oraz wielkość przerwy energetycznej decydują o elektrycznych właściwościach ciał stałych i są podstawą ich podziału na:
• metale,
• półprzewodniki,
• izolatory.
Metale to ciała, w których ostatnie pasmo energetyczne zapełnione jest tylko częściowo. Pasmo energetyczne częściowo zapełnione może wynikać z liczby elektronów znajdujących się na ostatniej powłoce pierwiastka, z którego powstaje kryształ lub może być skutkiem nałożenia się pasm zapełnionych całkowicie z pasmami pustymi lub częściowo obsadzonymi (rys.6.2). Wewnątrz częściowo zapełnionego pasma elektrony mogą łatwo przechodzić do
(…)
…
według zależności:
3
2
ni = A B T e
−
∆E
2 kT
gdzie: A, B – stałe zależne od materiału półprzewodnika, ∆E – szerokość przerwy
energetycznej, k – stała Boltzmanna, T – temperatura w stopniach K.
Podobnie jak w metalach na ruchliwość nośników w półprzewodniku ma wpływ
średnia droga swobodna uwarunkowana mechanizmami rozpraszania.
Dla niskich temperatur (T<100 K) dominuje mechanizm rozpraszania na domieszkach…
… przemysłu jest krzem. Do półprzewodników należą także
german, bor, diament, selen i inne.
5
Rys. 6.5. Rozmieszczenie półprzewodników w układzie okresowym pierwiastków (obok
symbolu wartość przerwy energetycznej).
Półprzewodniki chemicznie czyste nie zawierające obcych atomów nazywamy
półprzewodnikami samoistnymi. W takim przewodniku elektrony w paśmie
przewodnictwa mogą się znaleźć tylko na skutek…
… elektromagnetycznego
niektóre elektrony mogą uzyskać energię wystarczającą do pokonania przerwy
energetycznej i przejść do pasma przewodnictwa. Elektrony te podobnie jak
w metalach stają się elektronami swobodnymi i mogą brać udział w przepływie prądu.
Izolatory mają budowę pasmową podobną do półprzewodników, ale znacznie większą
wartość przerwy energetycznej (> 5 eV). Wskutek tego w normalnych temperaturach…
… czasie τ (zwanym czasem relaksacji)
każdy z elektronów, osiągnie prędkość równą 2vd, a następnie ulegnie zderzeniu
z siecią krystaliczną (rys.2.1). Prędkość vd możemy obliczyć z drugiego prawa
Newtona.
2v
eτ E
6.3
ma = F → m d = e E → v d =
2m
τ
Podstawiając zależność 2.7 do wzoru na gęstość prądu j = N e vd otrzymamy inną
postać prawa Ohma, często używaną przy opisie właściwości elektrycznych ciał…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)