Разделы презентаций


Элементы теории твердого тела

Содержание

1 Общие сведения о строении твердых тел Современная физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из положительно заряженных ядер, окруженных электронными оболочками. Электроны относятся к категории микрочастиц, которым присущ принцип

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Лекция №2
Элементы теории твердого тела
Полупроводники
Общие сведения о строении твердых тел.

Полупроводники
Элементы зонной теории
Примесные полупроводники
Основные соотношения физики полупроводников

Лекция №2Элементы теории твердого телаПолупроводникиОбщие сведения о строении твердых тел. ПолупроводникиЭлементы зонной теорииПримесные полупроводники Основные соотношения физики

Слайд 21 Общие сведения о строении твердых тел
Современная

физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из положительно заряженных ядер,

окруженных электронными оболочками.
Электроны относятся к категории микрочастиц, которым присущ принцип дуализма, то есть они обладают как свойствами частицы, так и свойствами волны.
Квантовая механика в состоянии предсказать лишь вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Эта вероятность представляет собой «усредненную» картину энергетического поведения электрона, что позволяет представить электрон в виде «облака», которое называют орбиталью.
Так как ядра и электроны являются квантовыми частицами, то их состояние, как и состояние образуемых ими систем, описывается законами квантовой механики.
1 Общие сведения о строении твердых тел  		 Современная физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из

Слайд 3 Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определенным орбитам так,

что на длине орбиты укладывается целое число длин волн, называемых

волнами Де Бройля. При этом условии на длине орбиты образуется стоячая волна и не происходит излучения электромагнитной энергии
Путем внешнего энергетического воздействия электрон может быть переведен на уровень с большей энергией. Такое состояние атома называется возбужденным, оно является неустойчивым
В любом атоме электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, поэтому спустя некоторое время электрон вернется на первоначальный уровень, выделив при этом квант энергии, равный разности соответствующих энергетических уровней
Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определенным орбитам так, что на длине орбиты укладывается целое число

Слайд 4 В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от

его расстояния до ядра, но и от расстояний до каждого

из остальных электронов
Вращение электронов в этих атомах может происходить как по круговым, так и по эллиптическим орбитам. Движение электрона по круговой орбите соответствует сферическому электронному облаку, а движение по эллиптической орбите — облаку в форме гантели.
При этом электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, но при условии, что на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов (принцип Паули).
Чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические уровни они занимают. Возможные энергетические состояния электронов характеризуют четырьмя квантовыми числами
В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от его расстояния до ядра, но и от

Слайд 5Главное квантовое число п определяет радиус круговой орбиты или большую

полуось эллиптической. Оно может принимать значение п - 1, 2,

3 и т. д. Чем больше п, тем больше радиус орбиты и энергия электрона. Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями.
Орбитальное квантовое число l определяет малую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать значения l = 0,1,2,..., (n-1). Значение l = 0 соответствует круговой орбите. Энергетические состояния, характеризующиеся различными значениями l , называют подуровнями. Значению l = 0 соответствует s-подуровень, значению l = 1 — р - подуровень, значению l = 2 — d-подуровень, значению l = 3 — f-подуровень.
Магнитное квантовое число т определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно может принимать значения т = 0, ±1, ±2, ..., ±l. Каждому орбитальному квантовому числу l соответствует (2l+ 1) по-разному ориентированных орбит. При l = 1 возможны три взаимно-перпендикулярных р - орбиты; орбитальному квантовому числу l = 2 соответствует пять возможных пространственных ориентаций орбит, называемых d-орбитами; квантовому числу l = 3 соответствует семь f-орбит.
Спиновое квантовое число s определяет момент количества движения электрона вокруг собственной оси. Вектор момента количества движения может быть параллелен или антипараллелен вектору орбитального момента. Спин электрона равен половине постоянной Планка, поэтому он равен +0,5 или -0,5.
Главное квантовое число п определяет радиус круговой орбиты или большую полуось эллиптической. Оно может принимать значение п

Слайд 7 На первом энергетическом уровне (п = 1) могут разместиться два

электрона с противоположными спинами, что можно записать в виде 1s2,

где 1 — номер энергетического уровня, s — состояние электрона на этом уровне, 2 — количество электронов в данном состоянии.
На втором энергетическом уровне (п = 2) в s-состоянии могут находиться два электрона (2s2), в р- состоянии — шесть электронов (2р6).
На третьем энергетическом уровне (п = 3) в s-состоянии могут находиться два электрона (3s2), в р- состоянии — шесть электронов (3р6), в d-состоянии — десять электронов (3d10) и т. д

При рассмотрении структуры электронных оболочек конкретных атомов следует руководствоваться двумя принципами:
в атоме не может быть двух электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел;
в нормальном (невозбужденном) состоянии электроны занимают квантовые состояния с наименьшей энергией

На первом энергетическом уровне (п = 1) могут разместиться два электрона с противоположными спинами, что можно записать

Слайд 82 Полупроводники

2 Полупроводники

Слайд 9Полупроводники

Полупроводники

Слайд 10Структура элементарной ячейки ПП

Структура элементарной ячейки ПП

Слайд 113 Элементы зонной теории полупроводников
Количественный анализ энергетического состояния полупроводниковых

материалов и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.


В автономном (одиночном) атоме расстояния между последовательными энергетическими уровнями непрерывно уменьшаются по мере увеличения энергии.
«Потолком» энергетического состояния является уровень ионизации, на котором электрон делается свободным и может покинуть атом.
В невозбужденном состоянии верхние уровни атома всегда свободны.
3 Элементы зонной теории полупроводников 		Количественный анализ энергетического состояния полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов базируется на зонной

Слайд 13 Полупроводник (ПП), как твердое тело, представляет собой множество атомов, сильно

взаимодействующих между собой, благодаря малым межатомным расстояниям.
Поэтому всю совокупность

атомов в кристалле ПП следует рассматривать как единое целое. Теория электронов в кристаллических твердых телах должна обязательно учитывать влияние на них атомных «остовов», образующих периодическую кристаллическую решетку.
Этими «запрещенными полосами», или зонами, в распределении энергии по квантовым состояниям отделены друг от друга «разрешенные» энергетические зоны.
Полупроводник (ПП), как твердое тело, представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих между собой, благодаря малым межатомным расстояниям.

Слайд 15Зонная диаграмма полупроводника с собственной электропроводностью

Зонная диаграмма полупроводника с собственной электропроводностью

Слайд 16Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i, называют полупроводники, кристаллическая решетка

которых в идеальном случае не содержит примесных атомов другой валентности.


Атомы в кристаллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи.
Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i, называют полупроводники, кристаллическая решетка которых в идеальном случае не содержит примесных

Слайд 17Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов,

помимо четырех собственных, вращаются еще четыре «чужих» электрона, вследствие чего

вокруг атомов образуются прочные электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов.
В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов
Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов, помимо четырех собственных, вращаются еще четыре «чужих»

Слайд 18 Энергетические расстояния между уровнями зоны в реальных случаях не превышают

10-17 эВ, т. е. разрешенные зоны практически можно считать сплошными.


Нижние энергетические уровни атомов обычно не образуют зон, так как внутренние электронные оболочки слабо взаимодействуют в твердом теле.
В связи с этим нижние уровни сохраняют свою «индивидуальность», и их показывают на зонной диаграмме в виде штриховой линии, где каждый штрих как бы соответствует одному атому.
В ряде случаев разрешенные зоны перекрываются, и тогда соответствующая запрещенная зона может отсутствовать.
Энергетические расстояния между уровнями зоны в реальных случаях не превышают 10-17 эВ, т. е. разрешенные зоны практически

Слайд 19 Проводимость в ПП возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона

на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны

только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при нулевой абсолютной температуре, называют зоной проводимости.
Зону, ближайшую к зоне проводимости, называют валентной зоной . При нулевой температуре она полностью заполнена, и, следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Но при температуре, отличной от нуля, в верхней части валентной зоны образуются свободные уровни, и эта зона также может обусловить проводимость.

Проводимость в ПП возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости

Слайд 20 Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ,

то вещество относится к диэлектрикам.
Если ширина запрещенной зоны меньше

3 эВ, то вещество считается полупроводником.
У проводников запрещенная зона отсутствует совсем.
Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. 		Если ширина

Слайд 21Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение

некоторого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду

электрона.
Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий.
Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой :


Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого

Слайд 24Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях.

Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей

количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.
Каждый из подвижных носителей заряда существует («живет») в течение некоторого промежутка времени, среднее значение которого называют временем жизни носителей заряда.
Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью

Слайд 25В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью

(R = G), поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов,

обозначаемая ni, и собственная концентрация дырок, обозначаемая рi. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие ni = рi.
С увеличением температуры собственные концентрации электронов и дырок растут по экспоненциальному закону, электропроводность полупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.
В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R = G), поэтому в полупроводнике устанавливается

Слайд 26Примесные полупроводники

Примесные полупроводники

Слайд 27Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с

валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает

собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными. полупроводниками

Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку кремния введены пятивалентные атомы мышьяка, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится свободным и легко отрывается от атома. При этом примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют электронным, или полупроводником типа п, а примесные атомы называют донорами.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например атомы алюминия, то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной. При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник называют дырочным, или полупроводником типа р, а примесные атомы называют акцепторами.
Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью.
Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и

Слайд 28С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход

электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации

— их возврат из зоны проводимости в валентную зону. Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т.
Для германия при Т = 3000 К ширина запрещенной зоны имеет значение = 0,72 эВ, для кремния =1,12 эВ, для арсенида галлия =1,41 эВ. Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.
Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Дырки в дырочном полупроводнике называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными.
С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости,

Слайд 33Свойства полупроводниковых материалов

Свойства полупроводниковых материалов

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика