Для початку, потрібно розглянути поняття енергії Фермі, так як це поняття, саме по собі, є відповіддю на Ваші питання.
енергія Фермі
Енергія Фермі - максимальна енергія електронів при температурі в 0 К. Енергія Фермі зростає зі збільшенням кількості електронів в квантовій системі і, відповідно, зменшується зі зменшенням кількості електронів (ферміонів). Це обумовлюється виникають інтенсивним обмінним і електростатичним взаємодією в області перекриття зарядових щільності хвильових функцій електронів при зростанні кількості електронів.
Енергія і імпульс Фермі є граничними енергією і імпульсом переходу електрона у вільний стан. Поверхня в просторі імпульсів при 0 К, під якою всі квантові стани зайняті (тобто, знаходження електронів на заповнених орбіталях). є поверхнею Фермі.
При збільшенні температури виникає кореляція атомів і виділяються фонони, які поглинаються електронами. В результаті імпульс електронів перевищує граничний імпульс Фермі, і вони переходять в дозволену зону (формально, є квазівільні частками).
Рівень Фермі в напівпровідниках різних типів провідності
Слід зауважити, що в будь-якому полупроводнике при прагненні температури до абсолютного нуля рівень Фермі знаходиться посередині забороненої зони. Але при підвищенні температури в домішкових напівпровідниках він зміщується або вгору, або вниз. Причина цього - в переході електронів з валентної зони в зону провідності або навпаки, що зумовлює зміну енергії зони провідності і подальше зміщення рівня Фермі (що Вас, власне, і цікавить).
У випадку з бездомішкового напівпровідниками, рівень Фермі при будь-якій температурі проходить по середині забороненої зони.
У випадку з n-напівпровідниками, кількість електронів в зоні провідності більше, ніж у бездомішкових напівпровідників, тому середня енергія електронів в зоні провідності, в силу того ж зростання сумарної енергії системи при збільшенні кількості фермионов, підвищується. Через це, щоб покинути валентну зону і перейти в зону провідності, електрону в n-напівпровіднику потрібно більше енергії, ніж електрону з бездомішкового напівпровідника. Тому рівень Фермі знаходиться вище середини забороненої зони. Формально, рівень Фермі в n-напівпровідниках лежить посередині між дном зони провідності і донорним рівнем.
У випадку з p - напівпровідниками, спостерігається зворотна ситуація: чим більша концентрація акцепторів (наприклад, атомів In), тим менша середня щільність енергії електронів в зоні провідності напівпровідника, тим менше середня енергія на один електрон, і тим менша енергія потрібна електрону, щоб перейти в зону провідності. Тому рівень Фермі знаходиться нижче середини забороненої зони.
25. Для напівпровідників з одним носієм заряду питома електропровідність # 947; визначається виразом
де n - концентрація вільних носіїв заряду, м -3; q - величина заряду кожного з них; # 956; - рухливість, рівна середньої швидкості носія заряду (# 965;) до напруженості поля (E): # 965; / E, м 2 / (B # 8729; c).
На малюнку 5.3 представлена температурна залежність концентрації носіїв.
В області низьких температур ділянку залежності між точками а і б характеризує тільки концентрацію носіїв, обумовлену домішками. Зі збільшенням температури число носіїв, що поставляються домішками, зростає, поки не вичерпаються електронні ресурси домішкових атомів (точка б). На ділянці б-в домішки вже виснажені, а переходу електронів основного напівпровідника через заборонену зону ще не виявляється. Ділянка кривої з постійною концентрацією носіїв заряду називають областю виснаження домішок. Надалі температура зростає настільки, що починається швидке зростання концентрації носіїв внаслідок переходу електронів через заборонену зону (ділянку в-г). Нахил цієї ділянки характеризує ширину забороненої зони напівпровідника (тангенс кута нахилу # 945; дає значення # 916; W). Нахил ділянки а-б залежить від енергії іонізації домішок # 916; Wп.
Мал. 5.3. Типова залежність концентрації носіїв заряду
Мал. 5.4. Температурна залежність рухливості носіїв
Збільшення рухливості вільних носіїв заряду з підвищенням температури пояснюється тим, що чим вище температура, тим більше теплова швидкість руху вільного носія # 965 ;. Однак при подальшому збільшенні температури посилюються теплові коливання решітки та носії заряду починають все частіше з нею стикатися, рухливість падає.
Електронно-дірковий переходом (р-п-перехід) називають тонкий шар між двома областями напівпровідникового кристала, одна з яких має електронну, а інша - дірковий електропровідність.
Технологічний процес створення електронно-діркового переходу може бути раз-особистим:
1. сплавом (сплавні діоди);
2. дифузія однієї речовини в іншу (диф-фузійні діоди);
3. епітаксії - орієнтоване зростання одного кристала на поверхні іншого (епітаксіальні діоди) і ін.
26.Статістіческій метод - це метод дослідження систем з великого числа частинок, що оперує статистичними закономірностями і середніми (усередненими) значеннями фізичних величин, що характеризують всю систему. Цей метод лежить в основі молекулярної фізики - розділу фізики, що вивчає будову і властивості речовини виходячиз молекулярно кінетичних уявлень. грунтуються на тому, що всі тіла складаються з атомів, молекул або іонів знаходяться в безперервному хаотичному русі.
Термодинамічний метод - це метод дослідження систем з великого числа частинок, що оперує величинами, котрі характеризують систему в цілому (наприклад, тиск, об'єм, температура) при різних перетвореннях енергії, що відбуваються в системі, не враховуючи при цьому внутрішньої будови досліджуваних тіл і характеру руху окремих частинок . Цей метод лежить в основі термодинаміки - розділу фізики, що вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами.
27.Расстояніе, яку проходить молекулою в середньому без зіткнень, називаетсясредней довжиною вільного пробігу <λ>.
всі молекули рухаються (і в сторони, і назустріч один одному), тому число зіткнень визначається середньою швидкістю руху молекул відносно один одного.
Середня довжина вільного пробігу молекул (середня довжина шляху молекул між двома зіткненнями):
При постійній температурі n змінюється пропорційно тиску P, тому середня довжина вільного пробігу обернено пропорційна тиску. При зменшенні тиску середня довжина вільного пробігу швидко зростає.
Середнє перемещеніеброуновской частки не залежить від маси.
Середнє число зіткнень за 1 с дорівнює числу молекул в об'ємі.
28. У термодинамічно нерівноважних системах відбуваються особливі незворотні процеси, звані явищами перенесення. в результаті яких здійснюється просторовий перенос маси, імпульсу, енергії. До явищ переносу відносяться теплопровідність (перенесення енергії), дифузія (перенесення маси) і внутрішнє тертя (перенесення імпульсу).
Дифузія - мимовільне проникнення або перемішування частинок 2-х або декількох дотичних тіл. Існує до тих пір, поки існує градієнт щільності. Явище дифузії для хімічно однорідного газу підкоряється закону Фіка:
де jm - щільність потоку маси - величина, яка визначається масою речовини, що дифундує в одиницю часу через одиничну площадку, перпендикулярну осі х, D - дифузія (коефіцієнт дифузії), d # 961; / dx - градієнт щільності, що дорівнює швидкості зміни щільності
Теплопровідність - перенесення теплоти внаслідок градієнта температури.
Якщо в одній області газу середня кінетична енергія молекул більше, ніж в інший, то з плином часу внаслідок постійних зіткнень молекул відбувається процес вирівнювання середніх кінетичних енергій молекул, т. Е. Вирівнювання температур.
Закон теплопровідності Фур'є:
Щільність теплового потоку, що переноситься в одиницю часу, через одиницю площі прямопропорційно: dT / dx.
де - щільність теплового потоку, # 955; - теплопровідність, dT / dx - градієнт температури. -теплопроводность, гдеCv - питома теплоємність газу при постійному обсязі, P- щільність газу,
В'язка течія - перенесення імпульсу, пов'язаний з градієнтом середньої масової швидкості.
Закон Ньютона для в'язкості. щільність потоку імпульсу, що переноситься за одиницю часу через одиницю площі прямопропорційно градієнту скоростіdv / dx.
-динамічна коефіцієнт в'язкості
29
Кількість теплоти Q - енергія, яку тіло втрачає або набуває при передачі тепла.
Формула кількості теплоти залежить від процесу, що протікає.
Формули кількості теплоти при деяких процесах:
Кількість теплоти при нагріванні і охолодженні.
Кількість теплоти при плавленні або кристалізації.
Кількість теплоти при кипінні, випаровуванні рідини і конденсації пари.
Кількість теплоти при згорянні палива.
Кількість теплоти завжди передається від більш гарячих тіл до більш холодним до досягнення ними однакової температури (теплової рівноваги), якщо немає інших процесів, окрім теплопередачі.
У замкнутій системі тіл виконується рівняння теплового балансу: Q1 + Q2 +. = 0 - кількість теплоти, яке втрачають гарячі тіла, дорівнює кількості тепла, одержуваного холодними.
Кількість теплоти, передане тілу,
йде на зміну його внутрішньої енергії
і на вчинення ним роботи (Перший закон термодинаміки).
Закон Джоуля-Ленца: в нерухомому металевому провіднику вся енергія електричного струму перетворюється в тепло:
Всі тіла складаються з молекул, які безперервно рухаються і взаємодіють один з одним.
Вони мають одночасно кінетичної і потенційної енергією.
Ці енергії і складають внутрішню енергію тіла.
Таким чином, внутрішня енергія - це енергія руху і взаємодії частинок,
з яких складається тіло.
Внутрішня енергія характеризує тепловий стан тіла.