În primul rând, trebuie să luăm în considerare conceptul de energie Fermi, deoarece acest concept, în sine, este răspunsul la întrebările dvs.
Energia fermi
Energia Fermi este energia maximă a electronilor la o temperatură de 0 K. Energia Fermi crește odată cu creșterea numărului de electroni din sistemul cuantic și, în consecință, scade cu o scădere a numărului de electroni (fermioni). Acest lucru se datorează schimbului intensiv rezultat și interacțiunii electrostatice în suprapunerea densităților de sarcină ale funcțiilor undei electronice cu o creștere a numărului de electroni.
Energia și impulsul fermi sunt energia și impulsul limită al tranziției unui electron la o stare liberă. Suprafața din spațiul de impuls la 0 K, sub care sunt ocupate toate stările cuantice (adică, găsirea electronilor în orbitele umplute). este suprafața Fermi.
Pe măsură ce crește temperatura, se produce o corelație a atomilor și se eliberează fononi, care sunt absorbiți de electroni. Ca urmare, momentul electronului depășește impulsul de graniță Fermi și trece în banda permisă (formal, ele sunt particule cvasi-libere).
Nivelul Fermi în semiconductori de diferite tipuri de conductivitate
Trebuie remarcat faptul că în orice semiconductor, deoarece temperatura tinde la zero absolută, nivelul Fermi se află în mijlocul benzii interzise. Dar, cu o creștere a temperaturii în semiconductori de impurități, se schimbă fie în sus, fie în jos. Motivul pentru aceasta este în tranziția electronilor de la banda de valență la banda de conducție sau invers, ceea ce determină o schimbare a energiei banda de conducție și deplasarea ulterioară a nivelului Fermi (care de fapt vă interesează).
În cazul semiconductoarelor pure, nivelul Fermi trece prin mijlocul banda interzisă la orice temperatură.
În cazul n-semiconductori, numărul de electroni în banda de conducție mai mare decât cea a semiconductorilor nedopat, deci energia medie a electronilor din banda de conducție datorită aceeași energie totală a sistemului, prin creșterea cantității de fermioni creștere crește. Din acest motiv, pentru a părăsi banda de valență și trece la banda de conducție, un electron în n-semiconductor necesită mai multă energie decât electronii semiconductoare nedopată. Prin urmare, nivelul lui Fermi se situează deasupra mijlocului benzii interzise. Formal, nivelul Fermi în n-semiconductori se află la jumătatea distanței dintre partea de jos a benzii de conducție și nivelul donatorilor.
În cazul p - semiconductori, există situația opusă: cea mai mare concentrația de acceptoare (de exemplu, atomi de In), este mai mică și densitatea medie a energiei electronilor în banda de conducție a semiconductorului, mai puțin energia medie pe electroni, iar mai puțină energie este necesară electron intrați în banda de conducere. Prin urmare, nivelul Fermi se află sub mijlocul zonei interzise.
25. Pentru semiconductorii cu un singur suport de încărcare, conductivitatea electrică # 947; este dat de
unde n este concentrația purtătorilor de sarcină liberi, m-3; q este magnitudinea sarcinii fiecăruia; # 956; - mobilitatea purtătoarelor de încărcare, egală cu viteza medie de transport (# 965;) la intensitatea câmpului (E): # 965; / E, m 2 / (B # 8729; c).
Figura 5.3 prezintă dependența de temperatură a concentrației purtătorului.
În regiunea cu temperatură joasă, porțiunea de dependență dintre punctele a și b caracterizează numai concentrația purtătorului datorată impurităților. Cu creșterea temperaturii, numărul de transportoare furnizate de impurități crește până când resursele electronice ale atomilor de impurități se epuizează (punctul b). În regiunea b-d, impuritățile sunt deja epuizate, iar tranziția electronilor semiconductorului principal prin banda interzisă nu a fost încă detectată. Porțiunea curbei cu o concentrație constantă de purtători de încărcătură se numește regiunea de epuizare a impurităților. Ulterior, temperatura crește atât de mult încât începe o creștere rapidă a concentrației purtătorului datorită tranziției electronilor prin banda interzisă (secțiunea c-d). Panta acestei secțiuni caracterizează lățimea benzii interzise a semiconductorului (panta unghiului de panta # 945; dă sens # 916; W). Panta din secțiunea a-b depinde de energia de ionizare a impurităților # 916; Wn.
Fig. 5.3. O dependență tipică a concentrației purtătorului
Fig. 5.4. Dependența de temperatură a mobilității transportatorului
Creșterea mobilității purtătorilor cu încărcătură liberă cu temperatură în creștere se explică prin faptul că cu cât este mai mare temperatura, cu atât viteza de mișcare a mișcării transportatorului liber este mai mare # 965; Cu toate acestea, cu o creștere suplimentară a temperaturii, vibrațiile termice ale rețelei sunt amplificate, iar purtătorii de încărcare încep să se ciocnească cu aceasta din ce în ce mai des, mobilitatea scade.
O tranziție a găurilor cu electroni (joncțiunea pn) este un strat subțire între două regiuni ale unui cristal semiconductor, dintre care unul are un sistem electronic și celălalt o conductivitate electrică a găurii.
Procesul tehnologic de creare a unei joncțiuni cu electroni poate fi diferit:
1. aliere (diode de aliaj);
2. difuzia unei substanțe în alta (diode de fuziune prin difuziune);
3. Creșterea orientată pe epitaxi a unui cristal pe suprafața unui alt cristal (diode epitaxiale) etc.
26. Metoda statistică este o metodă de studiu a sistemelor dintr-un număr mare de particule, care funcționează cu regularități statistice și valori medii (medii) ale cantităților fizice care caracterizează întregul sistem. Această metodă este baza fizicii moleculare - diviziunea fizicii, care studiază structura și proprietățile materiei pe baza reprezentărilor cinetice moleculare. pe baza faptului că toate corpurile constau din atomi, molecule sau ioni într-o mișcare haotică continuă.
Metoda termodinamică - o metodă de investigare a sistemelor de un număr mare de particule, cantități de funcționare care caracterizează sistemul global (de exemplu, presiune, volum, temperatură) la diferite transformări ale energiei care au loc în sistem, fără a lua în considerare structura internă a corpului investigat și natura mișcării particulelor individuale . Această metodă este baza termodinamicii - ramura fizicii care studiază proprietățile generale ale sistemelor macroscopice într-o stare de echilibru termodinamic, precum și procesele de tranziție între aceste state.
27. Distanța parcursă de moleculă în medie fără coliziuni se numește calea medie liberă <λ>.
toate moleculele se deplasează (atât către și de la celălalt), astfel încât numărul de coliziuni este determinat de viteza medie a moleculelor care se mișcă relativ una de cealaltă.
Calea medie liberă a moleculelor (lungimea medie a căii moleculare între două coliziuni):
La o temperatură constantă, n variază proporțional cu presiunea P, astfel că traiectoria medie liberă este invers proporțională cu presiunea. Cu o presiune descrescătoare, traiectoria medie liberă crește rapid.
Deplasarea medie a particulei Brown nu depinde de masă.
Numărul mediu de coliziuni pe secundă este egal cu numărul de molecule din volum.
28. În sistemele de echilibru termodinamic, există procese ireversibile speciale numite fenomene de transport. ca urmare a realizării transferului spațial al masei, impulsului și energiei. Fenomenele de transport includ conducerea căldurii (transferul de energie), difuzia (transferul de masă) și frecare internă (transferul de impuls).
Difuzie - penetrarea spontană sau amestecarea particulelor de 2 sau mai multe corpuri de contact. Există atâta timp cât există un gradient de densitate. Fenomenul de difuzie pentru un gaz chimic omogen se supune legii lui Fick:
unde jm - flux masic - valoarea determinată substanța greutate difuzând pe unitatea de timp prin unitatea de suprafață, perpendicular pe axa x, D - difuzie (coeficient de difuzie), d # 961; / dx - gradient de densitate, care densitate este egală cu rata de schimbare
Conductivitatea termică este transferul de căldură datorat gradientului de temperatură.
Dacă într-o regiune a gazului energia cinetică medie a moleculelor este mai mare decât în cealaltă, atunci, în timp, datorită coliziunilor constante ale moleculelor, energiile cinetice medii ale moleculelor sunt egalizate, adică egalizarea temperaturii.
Legea de conductivitate termică Fourier:
Densitatea fluxului de căldură transportat pe unitate de timp, pe unitate de suprafață, este direct proporțională cu: dT / dx.
unde este densitatea fluxului de căldură, # Conductivitatea termică, dT / dx - gradient de temperatură. Conductivitatea termică, unde Cv este căldura specifică a gazului la un volum constant, P este densitatea gazului,
Viteza vâscoasă este transferul de impuls asociat cu gradientul vitezei medii a masei.
Legea lui Newton pentru viscozitate. densitatea de flux a impulsului transferat pe unitate de timp prin suprafața unității este direct proporțională cu gradientul de viteză dv / dx.
- coeficientul vâscozității dinamice
29
Cantitatea de căldură Q este energia pe care corpul o pierde sau o dobândește în transferul de căldură.
Formula pentru cantitatea de căldură depinde de procesul în desfășurare.
Formule pentru cantitatea de căldură pentru unele procese:
Cantitatea de căldură încălzită și răcită.
Cantitatea de căldură în timpul topirii sau cristalizării.
Cantitatea de căldură în timpul fierberii, evaporarea lichidului și condensarea aburului.
Cantitatea de căldură din arderea combustibilului.
Cantitatea de căldură este transferată întotdeauna de la corpurile fierbinți la cele mai reci, până când acestea ajung la aceeași temperatură (echilibru termic), dacă nu există alte procese decât transferul de căldură.
Într-un sistem închis de corpuri, ecuația de echilibru termic este îndeplinită: Q1 + Q2 +. = 0 - cantitatea de căldură pe care corpurile fierbinți o pierde este egală cu cantitatea de căldură primită de cele reci.
Cantitatea de căldură transferată corpului,
își schimbă energia internă
și despre performanța lucrării sale (Prima lege a termodinamicii).
Legea Joule-Lenz: într-un conductor metalic fix, întreaga energie a curentului electric este transformată în căldură:
Toate corpurile constau din molecule care se mișcă continuu și interacționează unul cu celălalt.
Ei au atât energie cinetică cât și potențială.
Aceste energii constituie energia interioară a corpului.
Astfel, energia internă este energia mișcării și a interacțiunii particulelor,
din care constă corpul.
Energia internă caracterizează starea termică a corpului.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: