10: Електронні властивості матеріалів - Надпровідники та напівпровідники
- Page ID
- 19765
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
Цілі навчання
- Поясніть фізичну основу моделей Хаббарда і Мотта переходів метал-ізолятор.
- Зрозумійте, чому хороші надпровідники походять з поганих металів.
- Знайте структури та періодичні тенденції в смугових зазорах та кольорах напівпровідників.
- Отримати заборонену зону внутрішнього напівпровідника з температурної залежності провідності.
- Прогнозуйте тип легування, коли домішки або дефекти вводяться в напівпровідник.
- Співвіднесіть смугову картину і рівень Фермі з легуванням n- або p-типу.
- Зрозумійте фізичні принципи роботи діодів, світлодіодів, сонячних елементів та транзисторів.
- Поясніть відмінності в структурах і електронних властивостях кристалічних і аморфних напівпровідників.
Смугова модель (як теорія МО) заснована на одноелектронній моделі. Це було наближення, яке ми зробили на самому початку нашого обговорення теорії МО: ми використовували воднеподібні (одноелектронні) розв'язки рівняння Шредінгера, щоб дати нам форми атомних орбіталів s, p, d та f. У одноелектронному атомі ці орбіталі вироджуються в межах заданої оболонки, і енергетичні відмінності між, наприклад, 2s і 2p орбіталями виникають лише тоді, коли ми розглядаємо енергію електрона в полі інших електронів в атомі. Переходячи від атомів до молекул, ми зробили лінійні комбінації для створення одноелектронних молекулярних орбіталів (а в твердих тілах - одноелектронних енергетичних смуг). Але як і в багатоелектронних атомах, життя не так просто для реальних молекул і твердих тіл, які містять багато електронів. Електрони відштовхують один одного і тому їх рух в молекулах і в твердих тілах співвідноситься.
- 10.1: Прелюдія до електронних властивостей матеріалів - надпровідників і напівпровідників
- Корельовані електронні ефекти породжують переходи метал-ізолятор, які приводяться в рух невеликими змінами температури, тиску або складу, а також до надпровідності - проходження струму з нульовим опором при низьких температурах. У цьому розділі ми розробимо кілька простих моделей, щоб зрозуміти ці цікаві та важливі електронні властивості твердих тіл.
- 10.2: Переходи метал-ізолятор
- При експериментально доступних температурах і тисках Si і Ge завжди напівпровідникові (тобто ізолюючі), а Pb завжди металевий. Чому Sn відрізняється? Причина пов'язана з орбітальним перекриттям. Теорія говорить нам насправді, що будь-які (і всі) ізолятори повинні ставати металевими при досить високому тиску, або більше до точки, при досить високій щільності. Однак для більшості ізоляторів необхідний тиск набагато перевищує ті, яких ми можемо досягти в лабораторії.
- 10.3: Надпровідники
- Явище надпровідності, вперше виявлене в металі Hg в 1911 році Оннесом, продовжує вивчатися лише частково. Це представляє великий інтерес для фізиків як макроскопічного квантового явища, так і для хіміків та матеріалознавців, які намагаються зробити кращі надпровідники (особливо ті, які надпроводять при більш високих температурах) та пристроїв, отриманих з них, таких як надпровідні квантові інтерференційні пристрої (SQUID), які є надзвичайно чутливими магнітометрами.
- 10.5: Напівпровідники - смугові прогалини, кольори, провідність та легування
- Є ряд місць, де ми знаходимо напівпровідники в таблиці Менделєєва.
- 10.7: Діоди, світлодіоди та сонячні елементи
- Діоди - це напівпровідникові прилади, що дозволяють струму протікати тільки в одному напрямку. Діоди виступають в якості випрямлячів в електронних схемах, а також як ефективні випромінювачі світла (в світлодіодах) і сонячних елементах (в фотоелектриці). Основна структура діода - це перехід між p-типом і напівпровідником n-типу, званий p-n переходом. Зазвичай діоди виготовляють з єдиного напівпровідникового кристала, в який вводяться p- і n-легуючі речовини.
- 10.8: Аморфні напівпровідники
- Аморфні напівпровідники - це невпорядковані або склоподібні форми кристалічних напівпровідникових матеріалів з мережевими структурами, що включають переважно ковалентне з'єднання. Кристалічний кремній, який має алмазну структуру, є впорядкованим розташуванням плавлених шестичленних кремнієвих кілець, а місцеве середовище зв'язку атомів кремнію - тетраедричне. Атоми кремнію в аморфному кремнію (A-Si) також переважно чотиригранно координовані, але в структурі немає далекого порядку.