Читайте также:
|
|
Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики
Е.Н. ВИГДОРОВИЧ
Физические основы
И технология электронных средств
Учебное пособие
Часть 1
«Физические основы»
Москва
МГУПИ 2008 год
621.3
УДК 621.382 Утверждено Ученым Советом
в качестве учебного пособия
Физические основы и
технология электронных средств
Учебное пособие
М. Изд. МГАПИ, 2008
Под редакцией
проф. Рыжикова И.В.
Учебное пособие содержит краткий материал по физическим основам процессов формирования свойств электронных средств.
Пособие предназначено для преподавателей, инженерно-технических работников и студентов различных специальностей
______________________________
@ Московская государственная академия приборостроения и информатики, 2005
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Зонная структура энергетического спектра носителей заряда
Стоящая перед нами задача сводится к рассмотрению свойств и поведения заряженных частиц в кристаллическом твердом теле.
Из курсов атомной физики и квантовой механики известно поведение электронов в отдельно взятом изолированном атоме. В этом случае электроны могут обладать не любыми значениями энергии Е, а лишь некоторыми. Энергетический спектр электронов приобретает дискретный характер, как это показано на рис. 1.1, в. Переходы с одного энергетического уровня на другой связаны с поглощением или выделением энергии.
б) в) г)
Рис. 1.1. Схема образования энергетических зон в кристаллах:
а — расположение атомов в одномерном кристалле; б — распределение внутрикристаллического потенциального поля; в — расположение энергетических уровней в изолированном атоме; г — расположение энергетических зон
Возникает вопрос, как изменятся энергетические электронные уровни в атомах, если приближать атомы друг к другу, т. е. конденсировать их в твердую фазу. Упрощенная картина такого одномерного кристалла приведена на рис. 1.1, а.
Качественный ответ на этот вопрос получить нетрудно. Рассмотрим какие силы действуют в отдельном атоме, и какие — в кристалле. В изолированном атоме существуют сила притяжения ядром атома всех своих электронов и сила отталкивания между электронами. В кристалле из-за близкого расстояния между атомами возникают новые силы. Это — силы взаимодействия между ядрами, между электронами, принадлежащими разным атомам, и между всеми ядрами и всеми электронами. Под влиянием этих дополнительных сил энергетические уровни электронов в каждом из атомов кристалла каким-то образом должны измениться. Одни уровни понизятся, другие повысятся на шкале энергий. В этом состоит первое следствие сближения атомов. Второе следствие связано с тем, что электронные оболочки атомов, в особенности, внешние могут не только соприкасаться друг с другом, но способны даже перекрыться. В результате этого электрон с одного уровня в каком-либо из атомов может перейти на уровень в соседнем атоме без затраты энергии и, таким образом, свободно перемещаться от одного атома к другому. В связи с этим нельзя утверждать, что данный электрон принадлежит какому-нибудь одному определенному атому, наоборот, электрон в такой ситуации принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Иными словами, происходит обобществление электронов. Разумеется, что полное обобществление происходит лишь с теми электронами, которые находятся на внешних электронных оболочках. Чем ближе электронная оболочка к ядру, тем сильнее ядро удерживает электрон на этом уровне и препятствует перемещению электронов от одного атома к другому.
Совокупность обоих следствий сближения атомов приводит к появлению на энергетической шкале вместо отдельных уровней целых энергетических зон (рис. 1.1, г), т. е. областей таких значений энергий, которыми может обладать электрон, находясь в пределах твердого тела. Ширина зоны должна зависеть от степени связи электрона с ядром. Чем больше эта связь, тем меньше расщепление уровня, т. е. тем уже зона. В изолированном атоме имеются запрещенные значения энергии, которыми не может обладать электрон. Естественно ожидать, что нечто аналогичное будет и в твердом теле. Между зонами (теперь уже не уровнями) могут быть запрещенные зоны. Характерно, что если в отдельном атоме расстояния между уровнями будут невелики, то в кристалле запрещенный участок может исчезнуть за счет перекрытия образующихся энергетических зон.
Таким образом, энергетический спектр электронов в кристалле имеет зонную структуру.. Количественное решение задачи о спектре электронов в кристалле с помощью уравнения Шредингера так же приводит к выводу, что энергетический спектр электронов в кристалле имеет зонную структуру. Интуитивно можно представить, что различие в свойствах разных кристаллических веществ однозначно связано с разной структурой энергетического спектра электронов (разная ширина разрешенных и запрещенных зон)
Квантовая механика для объяснения ряда свойств материи рассматривает элементарные частицы, в том числе и электрон одновременно и как частицу, и как некую волну. Т. е. электрон можно одновременно характеризовать величинами энергии Е и импульса р, а также длиной волны λ, частотой ν и волновым вектором k = р/h. При этом, Е=hν и p = h/λ. Тогда движение свободных электронов может быть описана плоской волной, именуемой волной де-Бройля, с постоянной амплитудой.
Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 102 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №__ | | | Заполнение зон. Эффективная масса носителей заряда |