Теплоемкость твердых тел

Наиболее важными способами поглощения тепловой энергии твердым телом являются:

увеличение интенсивности колебаний атомов;

увеличение энергии поступательного движения электронов;

увеличение вращательной энергии молекул.

Первый механизм присущ всем твердым тела. Этот механизм наиболее важен из всех трех. Другие эффекты могут преобладать только в узких температурных интервалах.

Общая энергия твердого тела, как было показано в предыдущей главе, складывается из двух слагаемых. Одним из них является тепловая энергия, другим − энергия, которой обладают твердые тела при абсолютном нуле температуры. Сумма этих величин является внутренней энергией. Эта величина может быть точно определена из эксперимента. Однако исторически сложилось так, что большее внимание уделялось величине теплоемкости твердого тела.

фотон - это квант электромагнитного потока излучения, состоящий из кванта электрического потока (1.602·10^-19 Кл) и кванта магнитного потока (2.068·10^-15 Вб). Движущееся квантовое (элементарное) электромагнитное возмущение образует (возбуждает) парциальные электромагнитные волны, которые когерентны и, согласно принципу Гюйгенса, за счет интерференции, не излучаются в пространство, а движутся вместе с электромагнитным квантом как единое целое (волна де Бройля), представляя пакет парциальных волн в виде цуга.
Фотон является дискретной поперечной волной (поперечное возмущение); его свойства можно представить, рассмотрев другие поперечные волны, например, одиночный горб, бегущий вдоль по шнуру.

. Фотон представляет дискретное поперечное электрическое смещение поля в один квант заряда, образующее две разноименные области возмущения поля.

На рисунке условно изображено дискретное поперечное электрическое возмущение (смещение) квантового поля. Знаком (+) обозначена положительная область возмущения, знаком (-) - отрицательная. Между разноименными областями существует электрическое смещение, которое представляет электрический поток величиной в квант количества электричества. Движение (изменение) электрического потока всегда связано с током смещения. Стрелками указано направление тока электрического смещения квантов поля. Вначале, образуя возмущение (напряженность), ток электрического смещения поля течет в одну сторону, в конце возмущения - в обратную, т.е. в результате смещения возникает область с избытком в один квант и область с недостатком - дырка. Смещение происходит за период в половину длины волны. В результате возникает круговой ток электрического смещения I _см = 2 ev, где e - квант электрического заряда, v - частота электромагнитной волны. Эффективный радиус, по которому течет замкнутый ток смещения: r = λ / 2π, где λ - длина волны фотона. Надо заметить, что отрицательная область возмущения создает обратное направление тока, поэтому ток замкнут по кругу (аналогия с током проводимости, где отрицательно заряженные электроны движутся в одну сторону, но принято считать, что ток течет в обратном направлении). Электромагнитный квант, двигаясь равномерно, из-за интерференции не создает излучения, все вторичные волны гасят друг друга, не излучаясь.

9 Выпрямление на контакте металл — полупроводник
Рассмотрим некоторые особенности меха­низма процессов, происходящих при при­ведении в контакт металла с полупровод­ником. Для этого возьмем полупроводник n-типа с работой выхода А, меньшей рабо­ты выхода А_м из металла. Соответствую­щие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, б.
Если A_м>А, то при контакте электро­ны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится элек­тронами и зарядится положительно, а ме­талл — отрицательно. Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупро­водника. На контакте образуется двойной электрический слой d, поле которого (кон­тактная разность потенциалов) препят­ствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электро­нов проводимости в полупроводнике (по­рядка 10¹⁵см^-3 вместо 10²² см^-3 в метал­лах) толщина контактного слоя в полупро­воднике достигает примерно 10^-6см, т.е. примерно в 10000 раз больше, чем в металле. Контактный слой полупровод­ника обеднен основными носителями то­ка — электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запи­рающим.
При d— 10^-6 см и Dj»1 В напряжен­ность электрического поля контактного слоя Е=Dj /d»10⁸ В/м. Такое кон­тактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ши­рину запрещенной зоны, на энергию ак­тивации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривле­нию всех энергетических уровней полупро­водника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода — вели­чины постоянные, то при А_м>А энергия электронов в контактном слое полупровод­ника больше, чем в остальном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны про­водимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.
Помимо рассмотренного выше приме­ра возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупро­водниками: а) А_м<А, полупроводник n-типа; б) A _м> A, полупроводник р-типа; в) А _м <А, полупроводник р-типа. Соответ­ствующие зонные схемы показаны на рис. 334.
Если А_м<А, то при контакте металла с полупроводником n-типа электроны из металла переходят в полупроводник и об-
разуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышен­ной проводимостью, т. е. не является за­пирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом ме­талл— полупроводник n-типа (A _м> A) происходит в обратную сторону.
При контакте металла с полупроводни­ком р-типа запирающий слой образуется при A _м< A (рис. 334, в), так как в кон­тактном слое полупроводника наблюдает­ся избыток отрицательных ионов акцеп­торных примесей и недостаток основных носителей тока — дырок в валентной зоне. Если же A _м> A (рис. 334, б), то в кон­тактном слое полупроводника р-типа на­блюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контакт­ный слой обладает повышенной проводи­мостью.
Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий контактный слой возникает при контакте донорного полу­проводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. рис. 333, б), и у акцеп­торного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, в). Запирающий контактный слой облада­ет односторонней (вентильной) проводи­мостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропу­скает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупро­водник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопро­тивления от направления внешнего поля. Если направления внешнего и контакт­ного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, назы­ваемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпа­дает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от гра­ницы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопро­тивление. Очевидно, что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n-типа (A _м> A) про­пускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запираю­щего слоя на границе металла с полупро­водником р-типа (A _м< A) — из полупро­водника в металл.

17. Полевые транзисторы с p-n переходом и изолированным затвором.
При исследовании поверхностной электропроводности с помощью эффекта поля было установлено, что па поверхности полупроводника существует два тина поверхностных состояний: быст­рые и медленные (см. § 9.6). Быстрые участвуют в процессах рекомбинации и захвата. При комнатной температуре более длительным оказывается процесс рекомбинации, поэтому постоянные времени процесса оказываются близкими к эффективному времени жизни избыточных носителей заряда. Однако при пониженных тем­пературах, а также при очень высоких положительных и отрица­тельных значениях поверхностного потенциала преобладает про­цесс захвата носителей заряда быстрыми поверхностными состоя­ниями. Длительность этого процесса и определяет время установле­ния поверхностной электропроводности.
Медленные состояния в рекомбинации не участвуют: они служат ловушками захвата носителей.
В общем случае можно считать, что поверхностный заряд об­разован зарядом быстрых и медленных состояний. Соотношение между этими составляющими заряда определяется физико-химическим состоянием поверхности полупроводника и окружающей газовой среды. Опытным путем было установлено, что поверхностный заряд в основном является зарядом медленных состояний. Концен­трация медленных состояний составляет около 10¹¹—10¹³ см~². Равновесное заполнение состояний определяется их положением относительно уровня Ферми и температурой полупроводника. При изменении равновесного состояния полупроводника меняется равновесное заполнение медленных уровней, но после прекращения возбуждения происходит восстановление прежнего заряда. Скорость восстановления существенно зависит от окружающей атмосферы, что называет на адсорбционную природу медленных состояний. Появление медленных состояний связано с образованием оксидной пленки на поверхности полупроводника. На атомарно чистой поверхно­сти, исследованной в сверхвысоком вакууме, медленные состояния не обнаружены. Однако при помещении образца в обычную атмо­сферу начинается рост плотности медленных состояний, причем тем быстрее, чем выше влажность окружающей среды. Предполага­ют, что медленные состояния могут находиться как внутри окисла, так и па его поверхности. Разные значения времени захвата носи­телей заряда этими состояниями связаны с различной толщиной ок­сидной пленки.
Обмен носителями между объемом полупроводника и медленны­ми состояниями происходит двумя путями: туннелированием сквозь пленку и эмиссией через потенциальный барьер. Для тонких оксид­ных пленок более вероятным становится туннельный механизм.
Быстрые поверхностные состояния находятся на границе полупроводник—оксид. Будет ли быстрый уровень ловушкой рекомбинации или захвата — зависит от многих факторов. Например, во время выдержки кристалла на воздухе или в вакууме скорость рекомбинации возрастает, а скорость захвата не меняется. Кратковременный прогрев при 600-650 К уменьшает скорость рекомбина­ции, а длительная выдержка при 650 К почти не меняет скорости рекомбинации и захвата. Прогрев при более высокой температуре увеличивает скорость захвата.

Дата добавления: 2015-10-31