Свойства металлов Скачать
презентацию
<<  Электронная проводимость металлов Свойства металла  >>
Названы они так в честь итальянского физика Э. Ферми, впервые
Названы они так в честь итальянского физика Э. Ферми, впервые
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников
Электронно-дырочные переходы
Электронно-дырочные переходы
Электронно-дырочные переходы
Электронно-дырочные переходы
Фото из презентации «Электрическая проводимость металлов» к уроку химии на тему «Свойства металлов»

Автор: Владимир Иванович. Чтобы познакомиться с фотографией в полном размере, нажмите на её эскиз. Чтобы можно было использовать все фотографии на уроке химии, скачайте бесплатно презентацию «Электрическая проводимость металлов» со всеми фотографиями в zip-архиве размером 156 КБ.

Скачать презентацию

Электрическая проводимость металлов

содержание презентации «Электрическая проводимость металлов»
Сл Текст Эф Сл Текст Эф
1. Зонная модель электронной проводимости металлов.0 13для донорной примеси с концентрацией ионизованных0
С точки зрения электропроводности все вещества могут атомов Nd+ имеем где А, В – коэффициенты; n –
быть разделены на металлы ? ?(6?103?6?105)Ом-1 см-1, концентрация электронов в зоне проводимости; Nd
полупроводники ? = 102?10?9 Ом?1· см?1 и диэлектрики ? >>Nd+ , Nd – концентрация неионизованных
? 10?10?10?22 Ом?1· см?1. Качественное различие между примесных атомов; Еd – глубина залегания донорной
металлами и полупроводниками (диэлектриками) состоит в примеси под дном зоны проводимости. Поскольку n ? Nd+,
характере зависимости удельной проводимости от то получаем n? Ионизация примесей идет с уровня Ферми,
температуры. У металлов с ростом температуры который в легированном донорами полупроводнике
проводимость падает, а у полупроводников и диэлектриков расположен посередине между уровнем примеси и дном зоны
растет. При Т ? 0 К у чистых металлов ? ? ?, а у проводимости.
полупроводников и диэлектриков при Т ? 0 К проводимость 14Зонная модель электронно-дырочной проводимости0
стремится к нулю ? ? ? 0. Качественного различия между полупроводников.
полупроводниками и диэлектриками в отношении 15Электронно-дырочные переходы. Рассмотрим контакт0
электропроводности, пожалуй, нет. Проявление у одних двух полупроводников с различными типами проводимости
веществ металлических свойств, а у других р- и n-типа. На практике такой контакт получается
полупроводниковых и диэлектрических может быть введением при выращивании в пластину чистого
последовательно объяснено только в рамках квантовой полупроводника (Si) в различные его части двух
теории. примесей: донорной (P, As) и акцепторной (B, In). Такой
2Зонная модель электронной проводимости металлов.0 контакт называется p-n переходом. Толщина границы между
Согласно квантовым представлениям, энергия электронов в р и n областью может быть порядка 10-4 см (рис.). Рис.
атоме может изменяться дискретным образом. Причем, 6.13. Принципиальная схема контакта двух
согласно принципу Паули, в одном квантовом состоянии полупроводников с проводимостью р- и n-типа (а).
может находиться не более одного электрона. В Распределение электронов и дырок в области p-n перехода
результате электроны не собираются на каком-то одном (б). Изменение электрического потенциала в p-n переходе
энергетическом уровне, а последовательно заполняют (в). Вольт-амперная характеристика p-n перехода (г).
разрешенные энергетические уровни в атоме, формируя его 16Электронно-дырочные переходы. Поскольку в0
электронные оболочки. При сближении большого числа полупроводнике р-типа избыток положительно заряженных
атомов в пределах одного объема и образовании дырок, а в n-типа – электронов, то дырки начинают
кристаллической структуры химические связи между диффундировать в область, где их мало, т.е. в
атомами образуются за счет электронов, находящихся во полупроводник n-типа, а электроны переходят в образец
внешних, валентных, электронных оболочках. Причем опять р-типа (рис.б). Эта диффузия прекращается образующимся
же, согласно принципу Паули, атомы не могут сбиться в из-за разделения зарядов электрическим полем,
плотную массу, поскольку в этом случае в одном возникающим в месте контакта и имеющим там скачок
квантовом состоянии оказалось бы много частиц с (рис.в). Если теперь включить полупроводник с p-n
полуцелым спином ? собственным моментом количества переходом в электрическую цепь и направить внешнее
движения L = ?/2. Такие частицы называются фермионами, электрическое поле вдоль поля, уже имеющегося в
и к ним, в частности, относятся электроны, протоны, контакте, то это приведет к еще большему разделению
нейтроны. электронов и дырок, и ток в цепи будет практически
3Названы они так в честь итальянского физика Э.0 отсутствовать. Он будет определяться лишь термически
Ферми, впервые описавшего особенности поведения равновесной ионизацией полупроводника и движением
коллективов таких частиц. При сближении большого числа свободных зарядов по цепи, концентрация которых очень
атомов в пределах твердого тела происходит расщепление мала, а сопротивление контактного слоя p-n очень велико
исходного энергетического уровня валентного электрона в (рис.г), V < 0.
атоме на N подуровней в твердом теле, где N ? число 17Электронно-дырочные переходы. Если изменить0
атомов, образующих кристалл. В результате образуется направление внешнего электрического поля и направить
зона разрешенных энергетических уровней для электронов его от р- к n-области, против контактного поля Ек, то
в твердом теле (рис.1). Зонная модель электронной уже небольшое внешнее поле компенсирует контактное поле
проводимости металлов. Ек и электроны и дырки начнут беспрепятственно
4Зонная модель электронной проводимости металлов. В0 проходить в обедненный слой и его сопротивление
металлах внешние валентные оболочки заполнены не практически исчезнет. Ток через контакт будет проходить
полностью, например, у атомов серебра во внешней (рис. 6.13, г), V > 0. Поэтому если включить p-n
оболочке 5s1 находится один электрон, в то время как, переход в цепь с напряжением, изменяющим свой знак, то
согласно принципу Паули, могло бы находиться два при одном направлении поля ток через контакт будет
электрона с различными ориентациями спинов ? проходить, а при другом – нет. В такой цепи произойдет
собственных механических моментов, но второго электрона выпрямление напряжения. На этом принципе работают
во внешней оболочке атома серебра просто нет. При полупроводниковые выпрямители (рис.). «Выпрямление»
сближении N атомов Ag и расщеплении внешнего напряжения p-n переходом (полупроводниковым диодом). На
энергетического уровня 5s1 на N подуровней каждый из выходе получается постоянное по знаку пульсирующее
них заполняется уже двумя электронами с различными напряжение.
ориентациями спинов, что показано стрелками на рис. 1. 18Электронно-дырочные переходы. Полупроводниковые0
В результате при сближении N атомов серебра возникает выпрямители весьма компактны и обладают высоким КПД.
энергетическая зона, наполовину заполненная Так, выпрямитель на основе Ge с нанесенным на него
электронами. Энергия, соответствующая последнему индиевым контактом площадью ? 1 мм2 при напряжении в 1
заполненному электронному уровню при 0 К, называется В может пропускать прямые токи больше 1 А, а обратные
энергией Ферми ?F ? kTg. не превышают нескольких микроампер. При площади
5Зонная модель электронной проводимости металлов.0 контакта в несколько квадратных сантиметров германиевые
Расстояние между соседними энергетическими уровнями и кремниевые диоды способны пропускать токи в несколько
очень мало, поскольку N очень велико (до 1023 см?3?F ? сотен ампер, а их пробойное напряжение достигает сотен
1?10 эВ, ?Е = ?F/N << kT ? 0,025 эВ. Расстояние и тысяч вольт. Полупроводниковые приборы нашли широкое
между соседними разрешенными уровнями электронов в применение в технике, радиотехнике для преобразования,
металлах много меньше энергии теплового движения усиления, генерации электрических сигналов и определяют
электронов даже при самых низких температурах. Если в настоящее время прогресс цивилизации. Если концы
поместить проводник в электрическое поле, включив его, кристалла с p-n переходом подключить к микроамперметру
например, в замкнутую цепь с источником ЭДС, то и осветить область p-n перехода фотонами с энергией h?
электроны начнут перемещаться из точки с меньшим > Eg – большей ширины запрещенной зоны, то по цепи
потенциалом к точке проводника с большим потенциалом, пойдет ток и стрелка прибора отклонится. Поглощенные
так как их заряд отрицателен. Но движение в областью p-n перехода фотоны будут генерировать
электрическом поле означает увеличение энергии электроны и дырки. В области двойного электрического
электрона, а по квантовым представлениям, переход на слоя электрон будет перемещаться в n-область, а дырка ?
более высокий энергетический уровень у электрона в р-область. В результате ток потечет по внешней цепи
возможен, если этот соседний уровень свободен. В из р-области в n-область. Энергия фотонов в области p-n
металлах таких свободных уровней для электронов, перехода будет превращаться в электрическую энергию. На
находящихся вблизи уровня Ферми, вполне достаточно, этом принципе работают солнечные батареи, которые
поэтому металлы являются хорошими проводниками превращают световое излучение Солнца в электроэнергию,
электрического тока. например для питания приборов на космических кораблях.
6Зонная модель электронной проводимости металлов.0 19Сверхпроводимость. Существует одно явление,0
Однако эту проводимость обеспечивают не все свободные механизм которого оказалось возможным объяснить лишь в
электроны металла, а лишь те из них, что расположены рамках квантовой теории. Причем между открытием этого
вблизи уровня Ферми. Концентрация таких электронов явления и его объяснением прошло почти полвека. Речь
примерно равна nT/Tg, где Tg = 5?104 К – температура идет о явлении сверхпроводимости. В 1908 г.
вырождения. Пусть n ? число всех электронов на единицу голландскому физику Г. Камерлинг-Оннесу удалось
объема металла: N(?) –функция плотности состояний; получить жидкий гелий с температурой кипения 4,44 К.
N(?)d? ? число электронов в единице объема, Метод получения жидкого гелия оказался очень сложным и
приходящееся на интервал энергий от ? до ? + d?. При малоэффективным, и в течение долгого времени лишь
абсолютном нуле все уровни энергии до ?F включительно лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейдине производила
заняты двумя электронами каждый, а все уровни выше ?F жидкий гелий. Изучая поведение сопротивления ртути,
свободны. Для функции плотности состояний имеем. охлаждаемой до гелиевых температур, Камерлинг-Оннес в
7Следовательно, Вычисленные и экспериментальные0 1911 г. впервые в мире наблюдал исчезновение
значения энергии Ферми приведены в таблице. сопротивления ртути практически до нуля. Это явление
Экспериментальные значения получены из опытов с мягкими было названо сверхпроводимостью. Камерлинг-Оннес писал:
рентгеновскими лучами. Зонная модель электронной «При 4,3 К сопротивление ртути уменьшается до 0,084 Ом,
проводимости металлов. что составляет 0,0021 от значения сопротивления,
8Зонная модель электронно-дырочной проводимости0 которое имела бы твердая ртуть при 0 ?С (39,7 Ом).
полупроводников. И в цепи с полупроводнико. При Обнаружено, что при 3 К сопротивление падает ниже
образовании твердых тел возможна ситуация, когда 3?10-6 Ом, что составляет 10-7 от значения при 0 ?С».
энергетическая зона, возникшая из энергетических Отметим, что температурный интервал, в котором
уровней валентных электронов исходных атомов, сопротивление уменьшалось до нуля, очень узок, и для
оказывается полностью заполненной электронами, а некоторых металлов он составляет лишь 10-3 К.
ближайшие, доступные для заполнения электронами 20Сверхпроводимость. В 1957 г. Дж. Бардином, Л.0
энергетические уровни отделены от полностью заполненной Купером, Дж. Шрифером дано квантово-механическое
валентной зоны промежутком неразрешенных энергетических объяснение природы сверхпроводимости (теория БКШ). Было
состояний – так называемой запрещенной зоной. Выше показано, что хотя между электронами действуют силы
запрещенной зоны расположена зона разрешенных для кулоновского отталкивания, тем не менее в твердых телах
электронов энергетических состояний – зона при температуре перехода в сверхпроводящее состояние Тс
проводимости. Зона проводимости при 0 К полностью – критической температуре, между электронами начинают
свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные действовать силы притяжения, обусловленные обменом
зонные структуры характерны для кремния, германия, фононами между электронами. Фононы – кванты упругих
арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих колебаний кристаллической решетки. Это притяжение
других твердых тел, являющихся полупроводниками (см. приводит к образованию связанных электронных пар –
рис.). При повышении температуры полупроводников и куперовских пар. Пары электронов уже не являются
диэлектриков электроны способны получать дополнительную фермионами, и для них уже не действует принцип запрета
энергию, связанную с тепловым движением kT. У части Паули. Спаренные электроны являются бозонами –
электронов энергии теплового движения оказывается частицами с нулевым спином, и стремятся
достаточно для перехода из валентной зоны в зону сконденсироваться. В результате такой конденсации
проводимости, где электроны под действием внешнего образуется электрически заряженная, сверхтекучая
электрического поля могут перемещаться практически электронная жидкость, обладающая свойствами
свободно. сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние является
9Зонная модель электронно-дырочной проводимости2 макроскопическим квантовым состоянием металла.
полупроводников. и в цепи с полупроводниковым Электрон, движущийся среди положительно заряженных
материалом по мере повышения температуры полупроводника ионов, поляризует решетку (рис. 6.17), т.е.
будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не электростатическими силами притягивает к себе ближайшие
только с движением электронов в зоне проводимости, но и ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности
с появлением вакантных мест от ушедших в зону траектории электрона локально возрастает плотность
проводимости электронов в валентной зоне, так положительного заряда. Второй электрон, движущийся
называемых дырок (рис.). вслед за первым, будет притягиваться областью с
10В условиях термодинамического равновесия число0 избыточным положительным зарядом. В результате
электронов, переходящих в зону проводимости n ~ , косвенным образом за счет взаимодействия с решеткой
должно равняться числу электронов n, рекомбинирующих с между электронами 1 и 2 возникают силы притяжения.
дырками р в валентной зоне Bnp: Bnp = Если Таким образом и получается связанная куперовская пара.
полупроводник не содержит каких-либо примесей – 21Сверхпроводимость. Поскольку силы притяжения0
собственный полупроводник, то n ? p и мы получаем. невелики, спаренные электроны слабо локализованы в
Зонная модель электронно-дырочной проводимости пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары
полупроводников. n =. имеет порядок 10-7 м, т.е. охватывает тысячи
11Зонная модель электронно-дырочной проводимости0 элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают
полупроводников. Электроны забрасываются в зону друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но
проводимости с уровня Ферми, который оказывается в в целом все пары образуют электронный конденсат,
собственном полупроводнике расположенным посередине энергия которого за счет внутреннего взаимодействия
запрещенной зоны. Существенно изменить проводимость меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных
полупроводников можно, введя в них очень небольшие электронов. При определенных условиях, которые
количества примесей. Так, добавление в чистый кремний выполняются в сверхпроводниках, такое притяжение между
10?3 % (атом/атом) атомов фосфора увеличивает электронами может превышать электростатическое их
электропроводность кристалла в 105 раз. В металлах отталкивание. Благодаря поляризационному взаимодействию
примесь всегда уменьшает проводимость. Небольшое происходит образование куперовских пар и понижение
добавление примеси к полупроводнику называется энергии основного состояния электронов (относительно
легированием. Если добавить пятивалентный атом фосфора уровня Ферми ?f). На энергетическом уровне,
в решетку кремния, то четыре валентных электрона соответствующем этому состоянию, происходит конденсация
фосфора вступят в связь с четырьмя соседними атомами куперовских пар из электронов, которые (пары) теперь
кремния, у которого во внешней оболочке четыре являются бозе-частицами, или бозонами. На бозоны запрет
электрона, а пятый электрон атома Р может достаточно Паули не распространяется и в одном и том же квантовом
легко отщепиться в результате теплового движения и состоянии может находиться любое число частиц; бозоны
перейти в зону проводимости (рис. 6.11). В зонной проявляют «стремление» к объединению, т.е. тем
диаграмме атомы Р образуют систему энергетических интенсивнее заселяют данное состояние, чем больше
уровней, расположенных вблизи дна зоны проводимости – частиц уже находится в этом состоянии. Чтобы уничтожить
донорные уровни (от лат. dono – дарю), с которых это состояние, необходимо разрушить куперовскую пару,
электроны могут достаточно легко переходить в зону т.е. затратить минимальную энергию (?2?) (на один
проводимости, существенно увеличивая проводимость электрон ??). В энергетическом спектре электронов
полупроводника. Полупроводники, легированные донорной образуется щель Еg = 2?, определяющая уровень, на
примесью, называются полупроводниками n-типа (n – котором сконденсировались куперовские пары, от
negative – отрицательный). За проводимость таких ближайшего разрешенного уровня, расположенного выше ?f.
полупроводников отвечают свободные электроны, Электроны сверхпроводника образуют единое целое
заряженные отрицательно. квантовое состояние, которое в каждой точке
12Зонная модель электронно-дырочной проводимости0 пространства описывается амплитудой волновой функции и
полупроводников. Если ввести в кремний атомы ее фазой.
трехвалентного элемента, допустим атомы бора, то 22Сверхпроводимость. Энергетическая щель Еg = 2? ?0
дополнительно к имеющимся во внешней оболочке атома область запрещенных энергетических состояний. Спаренные
бора трем электронам может быть размещен четвертый, электроны располагаются на дне энергетической щели.
лишний, электрон, взятый у соседнего атома кремния Оценка показывает, что количество таких электронов
(рис. 6.12). На появившееся свободное место в составляет примерно 10?4 от общего их числа. Размер
электронной оболочке атома кремния (дырку) может энергетической щели зависит от температуры, достигая
переместиться электрон с другого соседнего атома максимального значения при Т = 0 К и полностью исчезая
кремния, и дырка переместится еще на один шаг в при Т = Тс. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели
кристаллической решетке. Поскольку в кристалле кремния с критической температурой перехода (при Т = 0 К): 2? =
мигрирует вакантное место электрона во внешней 3,52kTc Эта формула хорошо подтверждается
валентной оболочке атома кремния, то это эквивалентно экспериментально. Для большинства сверхпроводников
перемещению эффективного положительного заряда по энергетическая щель составляет 10-3?10-4 эВ. Известно,
кристаллической решетке. Проводимость в подобных что электрическое сопротивление металла обусловлено
образцах, легированных примесью с меньшим числом рассеиванием электронов на тепловых колебаниях решетки
электронов во внешней оболочке, чем у атомов основной и на примесях. Однако при наличии энергетической щели
матрицы, называется дырочной, а атомы такой примеси для перехода электронов из основного состояния в
называются акцепторами (от лат. acceptor – возбужденное требуется достаточная порция тепловой
принимающий). Полупроводники с акцепторными примесями энергии, которую при низких температурах электроны не
являются полупроводниками р-типа (р – positive – могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых
положительный). колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные
13Зонная модель электронно-дырочной проводимости0 электроны не рассеиваются на дефектах структуры, т.е.
полупроводников. Концентрацию ионизованной примеси их полный импульс не изменяется и сопротивление равно
можно также рассчитать из условия равновесия между нулю.
процессами ионизации и нейтрализации примеси. Например,
22 «Электрическая проводимость металлов» | Электрическая проводимость металлов 2
http://900igr.net/fotografii/khimija/Elektricheskaja-provodimost-metallov/Elektricheskaja-provodimost-metallov.html
cсылка на страницу
Урок

Химия

64 темы
Фото
Презентация: Электрическая проводимость металлов | Тема: Свойства металлов | Урок: Химия | Вид: Фото
900igr.net > Презентации по химии > Свойства металлов > Электрическая проводимость металлов