Программа экзамена по курсу «Физика твердого тела».
1-й модуль
1.1. Каковы качественные и количественные различия электропроводности полупроводников и металлов и как они объясняются в рамках электронной теории Друде-Лоренца?
Ответ:
Количественное различие: величина электропроводности п/п 103-10-9 Ом-1см-1, а металлов 106-104. Качественное различие: Электропроводность п/п можно менять в более широких пределах, чем металлов, так как она в большей степени зависит от внешних условий (температуры, освещенности, давления и облучения), электрических и магнитных полей. Электропроводность п/п можно менять на несколько порядков, вводя примеси и дефекты. Электропроводность металлов же от этого практически не меняется. Для Ме сопротивление с ростом температуры увеличивается по линейному закону. Для п/п сопротивление с ростом температуры быстро уменьшается по экспоненциальному закону.
1.2. Каковы условия модели «идеального электронного газа» в теории Друде-Лоренца? Каковы важнейшие результаты этой теории?
Ответ:
Условия: Металлы состоит из кристаллической решетки, в узлах которой находятся ионизированные атомы, и подвижных нелокализованных электронов проводимости. Электроны рассматриваются как невзаимодействующие частицы, не имеющие объема и хаотически передвигающиеся по кристаллу в тепловом движении. Электронный газ находится в термодинамическом равновесии с решеткой, устанавливающимся благодаря соударениям движущихся электронов с ионами решетки. В отсутствии внешних полей вследствие хаотичности теплового движения электронов в среднем нет их направленного движения, т.е. среднее смещение и средний вектор скорости за достаточно большой промежуток времени равны нулю. В электрическом поле на хаотическое тепловое движение электронов накладывается направленное движение – дрейф. Средняя дрейфовая скорость электронов зависит от величины приложенного электрического поля и от взаимодействия электронов с кристаллической решеткой. Энергия электрона в электрическом поле тратится им при столкновении с ионами кристаллической решетки.
Выводы: Теория Друде-Лоренца позволяет описать прохождение эл. тока в твердых телах и вывести формулы для электропроводности: j = sE; s =ennm - 1-ая формула Друде. Откуда j = en vдр = en n m E; m = ent/m – 2-я формула Друде. Также в теории Друде-Лоренца время релаксации определило процесс рассеяния электронов. Для характеристики процесса рассеяния применяются физ. величины: время и длина свободного пробега.
1.3. Чем объясняется широкий диапазон изменения величины электропроводности полупроводников (по сравнению с металлами) при воздействии освещения, нагрева, внешних полей, легирования примесями?
Ответ:
Электропроводность определяется 1-й формулой Друде - s = enm., т.е. она зависит от концентрации и подвижности. На концентрацию и подвижность п/п оказывает более существенное влияние воздействие освещения, нагрева, внешних полей, легирования. Также это объясняется наличием у полупроводников энергии активации dЕакт (ширина запрещенной зоны в случае собственной проводимости и энергия ионизации в случае примесной), в отличии от металлов у которой она отсутствует. Электропроводность п/п униполярная, а у металлов монополярная.
1.4. Как в рамках модельных представлений вычислить электропроводность собственных полупроводников? От каких факторов зависит si?
Ответ:
В рамках модельных представлений собственная электропроводность вычисляется по формуле: si = eni(mn + mp). Из формулы следует, что электропроводность зависит от концентрации и подвижности носителей заряда, которые в свою очередь, зависят от температуры и энергии активации. Или можно вычислить по температурной зависимости электропроводности: s(T) = s (T0)*exp(-dEакт/k0T). Факторы те же.
1.5. Как «управлять» величиной и типом электропроводности полупроводников? Почему эти способы «управления» электропроводностью не пригодны для металлов?
Ответ:
Электропроводностью п/п можно управлять, создавая в кристалле дефекты: атомы примеси (легирование), различные точечные , собственные дефекты и т.п. Например, введение в кремний атомов III или V групп в ничтожной концентрации (1 атом примеси на миллиард атомов кремния) изменяет величину электропроводности кремния на несколько порядков, в то время как электропроводность металла практически не меняется и при гораздо больших концентрациях примеси. Легированием можно также управлять и типом проводимости, меняя концентрацию и тип примеси (n –тип или p – тип),в зависимости от того какой тип нужен. У металлов же этого делать нельзя, так как изменения при легировании незначительны и электропроводность монополярна.
1.6. Что такое «электрон проводимости» и «дырки проводимости» в теории Друде-Лоренца? Их свойства?
Ответ :
«Электрон проводимости» - свободный электрон, который уходит в электронный газ при разрыве ковалентной связи. Свойства - невзаимодействующие частицы, не имеющие объема и хаотически передвигающиеся по кристаллу в тепловом движении. Электронная проводимость направлена против эл. поля. «Дырка проводимости» - незаполненная ковалентная связь между собственными атомами решетки. Дырочная проводимость направлена по направлению электрического поля.
1.7. Что физически выражают и как связаны между собой характеристики рассеяния носителей заряда: время свободного пробега, время релаксации, подвижность, длина свободного пробега, дрейфовая скорость, тепловая скорость? Каков их порядок величины?
Ответ:
Дрейф. подвижность – характеристический параметр материала, численно равен дрейф. скорости в электрическом поле единичной напряженности: m = et/m – 103-105 см2/(В*с). Чем выше подвижность, тем больше скорость электронов и тем больше плотность тока в электрическом поле, а значит, тем больше удельная электрическая проводимость кристалла.
Дрейфовая скорость – скорость направленного движения носителей заряда: vд=mE=10-7м/с.
Тепловая скорость – скорость хаотического движения носителей заряда: vT=105 м/с
Длина свободного пробега – средний путь, проходимый электроном между соударениями:
l = tСВ(vДР + vТЕПЛ) = 10-6 –10-8 м.
Время свободного пробега – среднее время движения между двумя соударениями
Время релаксации – среднее время установления стационарного состояния движущихся электронов: tРЕЛ=10-11-10-13 с.
Ф-лы: vT=(3kT/m)1/2; tРЕЛ =tС/2 (без распред.), tРЕЛ =tс (с учетом распр.по вр.своб.пробега).