4304

3

УДК 519.876 Ф50

Саушкин В.В. Физика конденсированного состояния [Электронный ресурс]: Методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния / В.В. Саушкин, Н.Н. Матвеев, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2020. – 30 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся темы, вопросы для обсуждения в свободной дискуссии на практических занятиях, расчетные задания для закрепления пройденного материала, примерные темы докладов (рефератов) по результатам применения изученного материала в научных исследованиях аспиранта, а также тест для проверки остаточных знаний.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 5. Библиогр.: 7 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры математики и физики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Белоглазов В.А.

Ответственный редактор: Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2020

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2020

4

Оглавление

Вопросы на дискуссию по теме «Исследование термополяризационных свойств твердых

ВВЕДЕНИЕ

Физика конденсированного состояния в настоящий момент одна из стабильно развивающихся областей физики. Ее фундаментальные концепции используются многими прикладными науками в области создания материалов с различными свойствами. Причем результаты исследований в этой области позволяют разрабатывать не только материалы, но и технологии, а также средства их контроля. Кроме того, дисциплина позволяет разработать индивидуальный подход к проведению научных исследований в рамках известных концепций, сконцентрировать внимание на выбранной проблематике и грамотно систематизировать результаты современных исследований, а также заложить аксиоматику будущих моделей исследуемых процессов или объектов.

Основная цель данных методических указаний – помочь аспирантам выработать на практике свою индивидуальную методику исследований, которая позволит получить уникальные результаты на основе стандартных методик, адаптированных к современному оборудованию. Данные методические указания помогут закрепить информацию о современных моделях структуры различных твердых тел, которая обусловливает их свойства, о методах изменения этой структуры на микроуровне.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ОБЩИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Методика проведения занятий нацелена на формирование индивидуального подхода к формированию представления об объекте и стандартных методах исследований твердых тел, совокупности явлений, протекающих в их структуре под влиянием внешних воздействий. Таким образом, формируются навыки выделения конкретного физического содержания в прикладных задачах современных технологий на микроуровне, формализованного моделирования композитов искусственного и природного происхождения, планирования и проведения эксперимента по исследованию динамики основных характеристик конденсированных сред, оценки перспектив развития новейших технологий в области физики конденсированного состояния. Ценностью занятий является общение аспиранта с преподавателем, поэтому они построены в виде дискуссии по вопросам, выбираемым аспирантом по теме занятия.

№ п/п

Наименование темы практического занятия

темы

1Исследование электропроводности полупроводников с помощью МУК ФОЭ 1.

2Исследование термополяризационных свойств твердых тел с помощью температурного сканирования.

3Исследование теплопроводности высокомолекулярных композитов методом ТСД.

4Исследование фотоэлектрических свойств полупроводников

5Температурное сканирование биокомпозитов.

6Исследование сопротивления полупроводникового терморезистора с помощью МУК ФОЭ 1.

7

Тема практического занятия «Исследование электропроводности полупроводников с помощью МУК ФОЭ 1»

Задача – построить ВАХ полупроводника при различных значениях температуры. Представить отчет по результатам исследований с оценкой точности используемой методики эксперимента и физики наблюдаемых явлений.

Теоретический минимум Основополагающий принцип. Квантовомеханический принцип за-

прета Паули, согласно которому каждое состояние может быть занято не более чем одним электроном.

В кристаллах полупроводников величина ширина запрещенной зоны варьируется в интервале ( 0,3эВ E 3эВ ) и сильно зависит от структурных особенностей кристалла и внешних условий (например, температуры). При температуре Т = 0 К все валентные электроны полупроводника связаны со своими атомами, то есть валентная зона их полностью заполнена, а зона проводимости пуста. Именно этим объясняется то, что при низких температурах полупроводник является фактически диэлектриком, то есть не проводит электрический ток.

Наиболее типичными представителями так называемых собственных полупроводников являются четырехвалентные кремний (Si) и германий (Ge). Известно, что для таких полупроводников зависимость электросопротивления R от температуры определяется соотношением:

Е0 – ширина запрещенной зоны полупроводника при температуре Т = 0 К, α – параметр, имеющий размерность постоянной Больцмана, β – параметр, имеющий размерность температуры.

Прологарифмируем соотношение (1):

9

Вопросы на дискуссию по теме «Исследование теплопроводности

высокомолекулярных композитов методом ТСД»

1. Как и с какой точностью определяется энергия активации с помощью то-

ков ТСД?

2.Кратко изложите физические основы метода поляризационных токов.

3.Кратко изложите физические основы метода токов ТСД. В чем принципи-

альное отличие этого метода от методики измерения поляризационных то-

ков?

4. В чем особенности применения диэлектрического метода в области иссле-

дования полимеров в сравнении с классической методикой?

5.Кратко изложите физические основы метода ДСК.

6.На чем основан принцип метода ДСК?

7.Назовите достоинства и недостатки метода ДСК

Тема практического занятия «Исследование фотоэлектрических свойств полупроводников»

Задача – исследовать зависимость сопротивления фоторезистора и фо- то-ЭДС селенового фотоэлемента от падающего на них светового потока и длины волны источника излучения. Представить отчет по результатам исследований с оценкой точности используемой методики эксперимента и физики наблюдаемых явлений.

Теоретический минимум Основополагающий принцип. В современной аппаратуре в качестве

приемников оптического излучения широко используются полупроводниковые приборы, действие которых основано на внутреннем и вентильном фотоэффектах.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота (или соответствующая граничная длина волны к ), при которой начинается фотоэффект.

Поглощение света в полупроводнике сопровождается изменением энергетических состояний электронов. В химически чистых и без дефектов (собственных) полупроводниках при поглощении квантов света электроны валентной зоны, приобретая дополнительную энергию h ( h – постоянная Планка, – частота света), превышающую или равную ширине запрещенной зоны E ( h E ), переходят в зону проводимости. Это приводит к появле-

10

нию добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

В примесных полупроводниках, кроме рассмотренного случая, могут быть еще два вида переходов в зависимости от типа примеси. В полупроводниках n-типа при поглощении фотона электрон с донорного уровня переходит в зону проводимости; при этом образуются только свободные электроны. Для осуществления перехода энергия поглощаемого фотона h должна быть больше или равна разности наименьшей энергии зоны проводимости и энергии донорного уровня ED ( h ED ). В полупроводниках p-типа при поглощении света электроны переходят из валентной зоны на незанятые акцепторные уровни (переход 3 на рис. 1.1); при этом в валентной зоне образуются дырки. Для осуществления перехода энергия поглощаемого кванта света должна быть больше или равна разности энергии акцепторного уровня и наибольшей энергии валентной зоны ( h EA ).

Таким образом, при облучении полупроводника светом увеличиваются концентрации свободных носителей зарядов, а следовательно, и проводи-

мость полупроводника. Увеличение электропроводности полупроводника под действием электромагнитного излучения называется внутренним фото-

эффектом (фотопроводимостью).

При облучении светом неоднородного полупроводника (соединение двух полупроводников разного типа проводимости), а также при освещении контакта полупроводник–металл может наблюдаться вентильный (барьер-

ный) фотоэффект, заключающийся в возникновении под действием света фото-ЭДС (электродвижущей силы). Возникновение фото-ЭДС обусловлено тем, что в области контакта существует внутреннее электрическое поле, которое пространственно разделяет образованные светом электроны проводимости и дырки.

Используемая аппаратура: Установка для исследования фотоэлек-

трических явлений в полупроводниках состоит из оптической скамьи, по

краям которой размещены с одной стороны селеновый фотоэлемент 1, со-

единенный с милливольтметром mV (рис. 3), с другой стороны –

фоторезиcтор 2, соединенный последовательно с выпрямителем, дающим на выходе напряжение 4 В, и микроамперметром А. Вдоль скамьи может пе-

ремещаться лампа накаливания 3. Имеющаяся на скамье миллиметровая

шкала позволяет измерять расстояние от лампы до фоторезистора и фотоэле-

мента.