A Fermi-szint és hőmérsékletfüggése
Először is meg kell fontolnunk a Fermi energia fogalmát, mivel ez a fogalom önmagában a válasz a kérdéseire.
Fermi energia
A Fermi energia a legnagyobb elektronenergia, 0 K hőmérsékleten. A Fermi energia növekszik az elektronok növekvő számával a kvantumrendszerben, és ennek megfelelően csökken az elektronok (fermionok) számának csökkenésével. Ez annak köszönhető, hogy az elektródák számának növekedésével az elektromágneses hullámok töltési sűrűségeit átfedő régióban intenzív csere és elektrosztatikus kölcsönhatás alakult ki.
A Fermi energiája és lendülete az elektron átmenetének szabad áramlási határa és lendülete. A felszín a 0 K-os lendület térben, amely alatt minden kvantumállapot elfoglalt (vagyis az elektronok megtalálása a töltött orbitálisban). a Fermi felület.
Ahogy a hőmérséklet nő, az atomok korrelációi keletkeznek, és fononok szabadulnak fel, amelyeket az elektronok abszorbeálnak. Ennek eredményeképpen az elektron lendülete meghaladja a Fermi határoló lendületét, és átmegy a megengedett sávba (hivatalosan kvázi-mentes részecskék).
A Fermi-szint a különböző vezetőképességű félvezetőkben
Meg kell jegyezni, hogy bármely félvezetőben, mivel a hőmérséklet abszolút nulla értéket mutat, a Fermi szint a tiltott sáv közepén helyezkedik el. A szennyező félvezetők hőmérsékletének növekedésével azonban felfelé vagy lefelé mozog. Ennek oka az, hogy az elektront átváltják a valenciasávról a vezetõsávra vagy fordítva, ami megváltoztatja a vezetõsáv energiáját és a Fermi szint késõbbi eltolódását (ami valójában érdekel).
Tiszta félvezetők esetében a Fermi-szint a tiltott sáv közepén halad bármely hőmérsékleten.
Az n-félvezetők esetében a vezetési sávban lévő elektronok száma nagyobb, mint tiszta félvezetők esetében, így a rendszerben a növekvő számú fermionnal megegyező növekedésnek köszönhetően az átlagos elektronenergia a vezetési sávban nő. Emiatt, hogy elhagyja a valenciasávot, és bemegy a vezetési sávba, az elektron egy n-félvezetőben több energiát igényel, mint egy tiszta félvezető elektronja. Ezért a Fermi szint a tiltott zenekar közepén helyezkedik el. Formálisan az N-félvezetők Fermi szintje a vezetõsáv fenekének közepén és a donor szintjén helyezkedik el.
Abban az esetben, p - félvezetők, van az ellenkező helyzet: minél nagyobb a koncentrációja akceptorok (például, atomjai In), annál alacsonyabb az átlagos sűrűsége az energia az elektronok a vezetési sávban a félvezető, a kevésbé Az átlagos energia elektron, és a kevesebb energia szükséges elektron menj be a vezetősávba. Ezért a Fermi szint a tiltott zóna közepéig fekszik.
25. Egy töltéshordozóval rendelkező félvezetők esetében az elektromos vezetőképesség # 947; megadja
ahol n az ingyenes töltéshordozók koncentrációja, m -3; q mindegyikük töltésének nagysága; # 956; - a töltőhordozók mobilitása, egyenlő az átlagos hordozósebességgel (# 965;) a térerősséggel (E): # 965; / E, m 2 / (B # 8729; c).
Az 5.3. Ábra mutatja a hordozó koncentráció hőmérséklet függését.
Az alacsony hőmérsékletű régióban az a és b pontok közötti függés része csak a szennyeződések következtében a hordozó koncentrációját jellemzi. A növekvő hőmérséklet mellett a szennyeződések által szállított hordozók száma addig növekszik, amíg a szennyező atomok elektronikus erőforrásait le nem eresztik (b) pont). A b-d régióban a szennyezők már kimerültek, és a fő félvezető elektronainak a tiltott sávon keresztüli átmenetét még nem észlelték. A görbületnek a töltőhordozók állandó koncentrációjával való részét a szennyeződés kimerülési régiónak nevezik. Ezt követően a hőmérséklet emelkedik annyira, hogy a hordozó koncentráció gyors növekedése az elektronok átjutása miatt megtörténik a tiltott sávon keresztül (c-d szakasz). Ennek a szakasznak a lejtése jellemzi a félvezető tiltott sávjának szélességét (a lejtési szög lejtése # 945; értelmet ad # 916; W). Az a-b szakasz meredeksége a szennyeződések ionizációs energiájától függ # 916; Wn.
Ábra. 5.3. A hordozó koncentrációjának tipikus függése
Ábra. 5.4. A hordozhatóság mobilitásának hőmérsékletfüggése
A növekvő hőmérsékletű szabad töltéshordozók mobilitásának növekedését azzal magyarázza, hogy minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a szabad hordozó mozgási sebessége # 965; Azonban a hőmérséklet további növekedésével a rács hőstabilitásait felerősítik, és a töltőhordozók egyre gyakrabban ütköznek egymással, a mobilitás csökken.
Az elektron-lyuk átmenet (pn csomópont) egy vékony réteg egy félvezető kristály két szakasza között, amelyek közül az egyiknek van egy elektronikus és egy lyuk elektromos vezetőképessége.
Az elektron-lyuk csomópont létrehozásának technológiai folyamata különböző lehet:
1. ötvözetek (ötvözetdiódák);
2. egy anyag diffúziója egy másikba (diffúziós fúziós diódák);
3. Egy kristály epitaxia-orientált növekedése egy másik (epitaxiális diódák) felületén stb.
26. A statisztikai módszer egy nagyszámú részecskékből álló rendszer tanulmányozásának módszere, amely statisztikai szabályszerűséggel és átlagos fizikai mennyiségek átlagával (átlagosan) értékeli az egész rendszert. Ez a módszer a molekuláris fizika alapja - a fizika megoszlása, amely az anyag szerkezetét és tulajdonságait tanulmányozza molekuláris kinetikai reprezentációk alapján. hogy az összes test atomokból, molekulákból vagy ionokból áll, folyamatos kaotikus mozgásban.
Termodinamikai módszer - egy eljárás a vizsgálat a rendszerek egy nagy számú részecske, üzemi mennyiségek jellemzésére a teljes rendszer (például nyomás, térfogat, hőmérséklet), különböző transzformációk energia előforduló a rendszerben, anélkül, hogy figyelembe véve a belső szerkezet a vizsgált test és a természet a mozgás az egyes részecskék . Ez a módszer a termodinamika, a fizika ágának alapja, amely a makroszkopikus rendszerek általános tulajdonságait vizsgálja termodinamikai egyensúlyi állapotban, valamint az ezen állapotok közötti átmenet folyamatát.
27. A molekulának az ütközés nélküli átlag által megtett távolságot az átlagos szabad útvonalnak nevezik <λ>.
minden molekula mozog (egymástól és egymástól), így az ütközések számát a molekulák egymáshoz viszonyított átlagsebessége határozza meg.
A molekulák átlagos szabad útja (két ütközés közötti molekulák átlagos útvonala):
Egy állandó hőmérsékleten n változik a P nyomás arányában, így az átlagos szabad útvonal fordítottan arányos a nyomáshoz. A csökkenő nyomás mellett az átlagos szabad útvonal gyorsan növekszik.
A barna részecskék átlagos elmozdulása nem függ a tömegtől.
Az ütközések átlagos száma másodpercenként megegyezik a kötetben lévő molekulák számával.
28. A termodinamikailag nem egyensúlyi rendszerekben különleges visszafordíthatatlan folyamatok, úgynevezett szállítási jelenségek. aminek eredményeképpen megvalósul a tömeg, a lendület és az energia térbeli áthelyezése. A közlekedési jelenségek közé tartoznak a hővezetés (energiaátvitel), a diffúzió (tömegátvitel) és a belső súrlódás (lendületi átvitel).
Diffúzió - spontán penetráció vagy 2 vagy több érintkező testrész részecskék összekeverése. Mindaddig, amíg sűrűségi gradiens van. A kémiailag homogén gázok diffúziós jelensége megfelel Fick törvényének:
ahol jm - tömeg fluxus - a meghatározott érték tömeg anyag diffundáló egységnyi idő révén az egységnyi felületre merőleges az x tengelyre, D - diffúzió (diffúziós együttható), d # 961; / dx - sűrűség gradiens, hogy sűrűsége egyenlő a változás sebessége
A hővezetés a hőátadás okozta hőátadás.
Ha az egyik területe az átlagos kinetikus energiája gázmolekulák nagyobb, mint a másik, akkor idővel miatt folyamatos ütközések molekulák az a folyamat, kiegyenlítése átlagos kinetikus energiája a molekulák, azaz. E. A hőmérséklet-kiegyenlítést.
A Fourier Thermal Conductivity Law:
Az egy egységnyi időegységre szállított hőáram denzitása egységnyi egységenként egyenesen arányos: dT / dx.
hol van a hőáramlás sűrűsége, # 955 - hővezetés, dT / dx - hőmérséklet gradiens. A hővezető képesség, ahol Cv a gáz fajlagos hője állandó térfogatban, P a gáz sűrűsége,
A viszkózus áramlás a tömegáram gradiensével kapcsolatos lendületi átvitel.
Newton törvény a viszkozitásra. az egy egységnyi időegységen át átvitt lendület fluxus sűrűsége egyenesen arányos a dv / dx sebesség-gradienssel.
-dinamikus viszkozitási együttható
29
A Q hő mennyisége az energia, amelyet a szervezet elveszít vagy megszerzi a hőátadás során.
A hőmennyiség képlete a folyamatban lévő folyamattól függ.
A hőmennyiség egyes folyamatokhoz:
A hőmennyiség fűtött és hűtött állapotban.
Hőmennyiség olvadás vagy kristályosítás során.
A hőmennyiség forrása, a folyadék bepárlása és a gőz kondenzációja során.
Az üzemanyag elégetésében keletkező hő mennyisége.
A hőmennyiséget mindig a melegebb testekről a hidegebbre kell átvinni, amíg nem érik el ugyanazt a hőmérsékletet (termikus egyensúly), ha nincs más eljárás, mint a hőátadás.
Egy zárt rendszerben a hőegyensúly egyenlete teljesül: Q1 + Q2 +. = 0 - a forró testek által elvesztett hőmennyiség egyenlő a hidegek által kapott hőmennyiséggel.
A szervezetnek átadott hő mennyisége,
megy megváltoztatni belső energiáját
és munkájának elvégzésére (Thermodynamics első törvénye).
A Joule-Lenz-törvény: rögzített fémvezetéken az elektromos áram teljes energiáját hővé alakítják:
Minden test olyan molekulákból áll, amelyek folyamatosan mozognak és kölcsönhatásban állnak egymással.
Kinetikus és potenciális energiájuk van.
Ezek az energiák alkotják a test belső energiáját.
Így a belső energia a részecskék mozgásának és kölcsönhatásának energiája,
amelyből a test áll.
A belső energia jellemzi a test termikus állapotát.