Разделы презентаций


Понятие о зонной теории твердых тел презентация, доклад

8.2.1. Зонная структура энергетического спектра электронов. Энергетические зоны в кристаллах.Распределение электронов по энергетическим зонам.Число энергетических состояний электронов в зоне.8.2.ПОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЁРДЫХ ТЕЛВ квантовой механике такая задача решается в приближении

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Раздел 8 Элементы физики конденсированных состояний
Курс лекций по общей физики
Доцент

Петренко Л.Г.






Кафедра общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ»




Харьков

- 2012 год

8.2. Понятие о зонной теории твёрдых тел

Раздел 8 Элементы физики конденсированных состояний Курс лекций по общей физикиДоцент Петренко Л.Г. Кафедра общей и экспериментальной

Слайд 28.2.1. Зонная структура энергетического спектра электронов. Энергетические зоны в кристаллах.
Распределение

электронов по энергетическим зонам.
Число энергетических состояний электронов в зоне.
8.2.ПОНЯТИЕ О

ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

В квантовой механике такая задача решается в приближении самосогласованного поля.






Многоэлектронная задача сводится
к задаче о движении одного электрона
во внешнем периодическом поле кристалла - усреднённом и согласованном поле
всех ядер и электронов.
Этот метод применяется в зонной теории
твёрдых тел, основы которой были заложены
швейцарским физиком Ф.Блохом (1928 г.) и французским физиком Л.Бриллюэном (1930 г.).

Ни в классической, ни в квантовой механике не существует методов
точного решения динамической задачи для системы многих частиц,
например, нахождения возможных значений энергии кристалла.

8.2.1. Зонная структура энергетического спектра электронов. Энергетические зоны в кристаллах.Распределение электронов по энергетическим зонам.Число энергетических состояний электронов

Слайд 3Это означает, что волновая функция электрона в кристаллической решётке имеет

вид волновой функции свободного электрона, амплитуда которой модулирована в пространстве

с периодом решётки.





Согласно их модели для электрона в кристаллической решётке выполняется теорема Блоха:

вектор n-го узла периодической решётки, - волновой вектор, - координата точки.





Подставив волновую функцию в стационарное уравнение Шрёдингера,
и вводя граничные условия, находят энергетический спектр электронов.






Решение даёт энергетический спектр в виде
полос разрешённых энергий,
разделённых полосами запрещённых энергий.





Это означает, что волновая функция электрона в кристаллической решётке имеет вид волновой функции свободного электрона, амплитуда которой

Слайд 4Процесс образования энергетических зон в кристалле можно представить наглядно на

следующем рисунке.
По мере сближения атомов взаимодействие между ними приводит

к тому, что образуется единая квантово-механическая система
(твёрдое тело), в которой действует
принцип Паули –
в одном состоянии не могут находиться
две или несколько частиц
с одинаковым набором квантовых чисел.
Энергетические уровни электронов в атомах начинают расщепляться
и превращаются в зоны.

Изолированные атомы имеют совпадающие схемы энергетических уровней.

Образуется так называемый зонный энергетический спектр – чередующиеся интервалы разрешённых и запрещённых значений энергии электронов.







Процесс образования энергетических зон в кристалле можно представить наглядно на следующем рисунке. По мере сближения атомов взаимодействие

Слайд 5Заметно расщепляются и образуют зоны только уровни наиболее слабо связанных

с ядром внешних валентных электронов.
Эти электроны в твёрдом теле коллективизированы

(принадлежат всему кристаллу)
и могут переходить от атома к атому, благодаря туннельному эффекту.

Энергетические уровни внутренних электронов
практически не расщепляются. Внутренние электроны
ведут себя так же, как в изолированных атомах.

Каждая разрешённая зона содержит столько энергетических уровней, сколько атомов содержит кристалл.
Уровни дискретны, но расстояние между ними очень мало ~10-22эВ, поэтому зоны можно считать практически непрерывными.

Разрешённые зоны тем шире,
чем слабее связь валентных электронов с ядрами.
Размер кристалла на ширину зон не влияет.

Заметно расщепляются и образуют зоны только уровни наиболее слабо связанных с ядром внешних валентных электронов.Эти электроны в

Слайд 68.2.2. Валентная зона и зона проводимости.
Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники.
Интервал

запрещённых энергий,
разделяющих зону проводимости и валентную зону, называют запрещённой зоной.
Ширину

запрещённой зоны обычно обозначают ΔW.






Свойства твёрдых тел (электрические, оптические и др.) определяются характером заполнения двух зон при температуре Т = 0 К :
1)верхней - либо полностью свободной, либо частично заполненной, образованной из уровней внешних коллективизированных электронов, называемой зоной проводимости (ЗП);

В зависимости от заполнения энергетических зон
все вещества разделяют на три группы –
металлы, диэлектрики, полупроводники.

2)нижней - полностью заполненной электронами, образованной из энергетических уровней внутренних электронов,
называемой валентной зоной (ВЗ).

8.2.2. Валентная зона и зона проводимости.Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники.Интервал запрещённых энергий,разделяющих зону проводимости и валентную зону,

Слайд 7Зоны, расположенные ниже дна валентной зоны, всегда полностью заполнены электронами

и не влияют на свойства твёрдых тел.
Поэтому на энергетическом спектре

электронов в кристалле
их обычно не показывают.

Характер заполнения энергетических зон
в металлах, диэлектриках, полупроводниках :






Зоны, расположенные ниже дна валентной зоны, всегда полностью заполнены электронами и не влияют на свойства твёрдых тел.Поэтому

Слайд 8Металлы: а)самая верхняя зона, в которой имеются электроны, заполнена лишь

частично и является зоной проводимости, б)валентная зона перекрывается полностью свободной

зоной, образуется гибридная зона,
лишь частично заполненная электронами, являющаяся зоной проводимости.
В зонах проводимости в обоих случаях имеются
вакантные уровни, расстояние между которыми ~10-22эВ.
Электроны могут переходить с нижних уровней на верхние за счёт, например, теплового возбуждения, имеющего энергию порядка Wтепл~kT~10-4эВ.
Таким образом, внутризонные переходы возможны.
Твёрдое тело является проводником электрического тока.

Диэлектрики: полностью свободная от электронов зона проводимости отделена от полностью заполненной валентной зоны - запрещённой зоной.
Ширина запрещённой зоны составляет несколько электронвольт.
Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости
при реальных температурах невозможен.
Твёрдые тела с такой зонной структурой являются изоляторами.

Полупроводники: отличие полупроводников от диэлектриков определяется шириной запрещённой зоны - ΔW≤1эВ.
При Т=0К полупроводники являются изоляторами. При Т>0К путём теплового возбуждения, электроны могут перебрасываться из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниках может возникнуть электрический ток.
Потому такие твёрдые тела называются полупроводниками.

Металлы: а)самая верхняя зона, в которой имеются электроны, заполнена лишь частично и является зоной проводимости, б)валентная зона

Слайд 9Электроны, осуществляющие проводимость и находящиеся в зоне проводимости, назы-ваются электронами

проводимости.
8.2.3. Динамика электронов в кристаллической решётке. Понятие об эффективной массе.
Понятие

о дырочной проводимости.
Квазичастицы - электроны проводимости и дырки.

На прежде занятом уровне появляется вакантное место, которое в результате возбуждения может быть занято электроном
с ещё более низкого энергетического уровня. Освобождённое электроном место в зонной структуре называется дыркой.

Возможность электронам двигаться в зоне проводимости и в валентной зоне является предпосылкой для электрической проводимости.
При наличии внешнего электрического поля эта предпосылка реализуется.





Электрон в результате теплового или какого-либо другого возбуждения может переместиться с более низкого энергетического уровня
на свободный верхний (плавно в металле и скачком в полупроводнике).

Электроны, осуществляющие проводимость и находящиеся в зоне проводимости, назы-ваются электронами проводимости.8.2.3. Динамика электронов в кристаллической решётке. Понятие

Слайд 10В кристалле на носители заряда (электроны и дырки) действует не

только внешнее поле, но и периодическое внутреннее электрическое поле кристалла.

Действие поля кристалла можно учесть введением понятия об
эффективной массе электрона me* и дырки mр*.
Без внешнего воздействия электрон ведёт себя в кристалле как свободная частица. Под влиянием внешнего поля электрон движется как частица
с эффективной массой me* или mр*.

Эффективная масса электрона у дна зоны проводимости положительна,
а у потолка валентной зоны - отрицательна.
Электроны проводимости и дырки являются квазичастицами,
обладающими равными по величине и противоположными по знаку зарядами и эффективными массами:
qe = - e; qp = + e; qe + qp= 0;
me* > 0; mp* < 0; me* + mp* = 0.

Электропроводность, осуществляемая движущимися в зоне проводимости электронами проводимости называется электронной проводимостью.
Перемещение электрона в валентной зоне эквивалентно перемещению дырки, имеющей положительный заряд, в противоположную сторону. Электропроводность, осуществляемая движущимися дырками, называется дырочной проводимостью.

В кристалле на носители заряда (электроны и дырки) действует не только внешнее поле, но и периодическое внутреннее

Слайд 11Во внешнем электрическом поле электроны проводимости
движутся против поля (антипараллельно вектору

),
а дырки - по полю
(параллельно вектору

).

Введение в зонную теорию понятия
эффективной массы электронов позволяет, с одной стороны,
учитывать действие на электроны не только внешнего поля,
но и внутреннего периодического поля кристаллической решётки,
а с другой стороны, рассматривать их движение во внешнем поле,
как движение свободных частиц.

Энергию электрона проводимости обычно отсчитывают
от дна зоны проводимости,
а энергию дырок - от потолка валентной зоны
(росту энергии дырки соответствует её движение вниз в валентной зоне).

Во внешнем электрическом поле электроны проводимостидвижутся против поля (антипараллельно вектору   ),а дырки - по полю(параллельно

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