- •163.Чем бозоны отличаются от фермионов?
- •Что такое функция распределения частиц по энергетическим состояниям?
- •Что такое плотность электронных состояний?
- •Что такое функция распределения Бозе–Эйнштейна?
- •Что такое функция распределения Ферми–Дирака?
- •Чем вырожденный идеальный газ бозонов отличается от невырожденного идеального газа?
- •Какие существуют основные типы кристаллов?
- •Что происходит с энергетическими уровнями атомов (молекул) при объединении их в кристалл?
- •Как преобразуются одноэлектронные волновые функции при объединении атомов в кристалл?
- •Что такое энергетические зоны? Как они возникают?
- •Чем различается заполнение энергетических зон электронами в проводниках, полупроводниках и изоляторах?
- •Что такое работа выхода для данного вещества? Покажите ее на энергетической схеме?
- •Как распределены электроны по энергиям в зоне проводимости металла?
- •Как вычислить уровень Ферми для данного вещества?
- •Каким свойствами обладает уровень Ферми в металлах при низкой температуре? Как он зависит от температуры и от концентрации свободных электронов?
- •Где находится и как зависит от температуры уровень Ферми в чистых полупроводниках?
- •Где находится и как зависит от температуры уровень Ферми в примесных полупроводниках?
- •Как выглядят одноэлектронные волновые функции в идеальном кристалле (функции Блоха)?
- •Что такое квазиимпульс электрона в кристалле?
- •Что такое зоны Бриллюэна? Где они находятся? Как связаны с «длинами волн» одноэлектронных волновых функций?
- •Что такое эффективная масса электрона в кристалл?
- •Почему эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря тензор?
- •Выпишите основные уравнения динамики электронов в кристаллической решетке?
- •Что такое дырки? Каковы их заряд и масса?
- •Как связана электропроводность кристалла со структурой заполнения энергетических зон?
- •Как и почему зависит концентрация свободных носителей в проводнике и полупроводнике от температуры?
- •Чем определяется концентрация свободных электронов и “дырок” в полупроводниковом кристалле?
- •Что такое донорная и акцепторная примесь? Как они влияют на энергетический спектр электронов в полупроводнике?
Чем различается заполнение энергетических зон электронами в проводниках, полупроводниках и изоляторах?
Что такое работа выхода для данного вещества? Покажите ее на энергетической схеме?
Работа выхода — разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различныхкристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной.
При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был уд
Как распределены электроны по энергиям в зоне проводимости металла?
Металлы, как правило, имеют частично заполненную электронами зону проводимости (рис. 1.13, а). При этом уровни энергии электронов, соответствующие дну зоны проводимости Wc и потолку валентной зоны Wv, зачастую перекрываются. При температуре абсолютного нуля (Т=0) металлы проводят электрический ток, поскольку в зоне проводимости имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны при приложении внешнего электрического поля.
Если зона проводимости полностью свободна от электронов, то вещество является полупроводником или диэлектриком.
Что такое уровень Ферми?
ФЕ́РМИ ЭНЕ́РГИЯ, значение энергии, ниже которой при температуре абсолютного нуля Т=0 К, все энергетические состояния системы частиц, подчиняющихся Ферми — Дирака статистике, заняты, а выше — свободны. Уровень Ферми — некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы фермионов; в частности электроновтвердого тела, играет роль химического потенциала для незаряженных частиц. Статистический смысл уровня Ферми — при любой температуре его заселенность равна1/2.
Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле. В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами, определяется функцией Ферми F(E):
F(E) =1/(e(E-EF)/kT+1), где
Е — энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется,
EF — энергия характеристического уровня, относительно которого кривая вероятности симметрична;
Т — абсолютная температура;
k – постоянная Больцмана.
При абсолютном нуле из вида функции следует, что
F(E) = 1 при Е < EF;
F(E) = 0 при Е >EF.
То есть все состояния, лежащие ниже уровня Ферми, полностью заняты электронами, а выше него свободны.
Энергия Ферми EF — максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. Энергия Ферми совпадает со значениями химического потенциала газа фермионов при Т =0 К, то есть уровень Ферми для электронов играет роль уровня химического потенциала для незаряженных частиц. Соответствующий ей потенциал F = EF/е называют электрохимическим потенциалом.
Таким образом, уровнем Ферми или энергией Ферми в металлах является энергия, которую может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. При нагревании металла происходит возбуждение некоторых электронов, находящихся вблизи уровня Ферми (за счет тепловой энергии, величина которой порядка kT). Но при любой температуре для уровня с энергией, соответствующей уровню Ферми, вероятность заполнения равна 1/2. Все уровни, расположенные ниже уровня Ферми, с вероятностью больше 1/2 заполнены электронами, а все уровни, лежащие выше уровня Ферми, с вероятностью больше 1/2 свободны от электронов.
Для электронного газа в металлах при Т = 0 величина энергии Ферми однозначно определяется концентрацией электронов и ее можно выразить через число n частиц электронного газа в единице объема: зависимость энергии Ферми от концентрации электронов нелинейная.
С ростом температуры (а также уменьшением концентрации электронов) уровень Ферми смещается по шкале энергий влево, но его заселенность остается равной 1/2. В реальных условиях изменение EFс увеличением температуры мало. Например, для Ag, имеющего при Т=0 значение EF равное 5,5 эВ, изменение энергии Ферми при температуре плавления составляет всего около 0,03% от исходного значения.
В полупроводниках при очень низких температурах уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны. (Для донорных полупроводников — полупроводников n-типа проводимости — уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем). С повышением температуры вероятность заполнения донорных состояний уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, и уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны. Аналогичные закономерности проявляются и полупроводниках р-типа проводимости.
Существование энергии Ферми является следствием принципа Паули. Величина энергии Ферми существенно зависит от свойств системы. Понятие об энергии Ферми используется в физике твердого тела, в ядерной физике, в астрофизике и т. д.