Металлы, диэлектрики и полупроводники

НАО «Университет имени Шакарима города Семей»

Инженерно-технологический факультет

(наименование факультета)

Кафедра «Техническая физика и теплоэнергетика»

(наименование кафедры)

СРО №2

По дисциплине: Физика конденсированного состояния

(наименование дисциплины)

На тему: Металлы, диэлектрики и полупроводники

(тема работы)

Семей 2023 г.

Содержание

Введение        3

1 Металлы и диэлектрики        4

2 Полупроводники        5

2.1 Собственные полупроводники        5

2.2 Примесные полупроводники        6

Заключение        7

Список используемых источников        8

Введение

Понимание структуры и свойств кристаллических материалов играет ключевую роль в современной науке и технологии. Изучение зонной структуры кристаллов позволяет понять их поведение в различных условиях, что имеет важное значение для практических приложений, включая разработку полупроводников и других электронных устройств. В данном контексте, анализ энергетических зон и эффектов, происходящих при заполнении электронами, помогает классифицировать кристаллические материалы и определять их электрические свойства.

1 Металлы и диэлектрики

Рассмотрим кристалл и начнем заполнять зоны Em,k электронами так, чтобы система была электрически нейтральна (количество электронов равно количеству протонов). При нулевой температуре будем исходить из принципа Паули и требования минимума полной энергии (на самом деле, стоит еще выполнять, хотя бы мысленно, процедуру самосогласования Хартри-Фока при добавлении очередного электрона). В результате, когда добавляемые электроны закончатся, возможны лишь две ситуации, изображенные на рисунке 1.

[pic 1]

Рисунок 1 - Заполнение зон в металле (a) и диэлектрике (b).

В металлах энергия Ферми оказывается в разрешенной зоне, т.е. в одной зоне сосуществуют как заполненные, так и свободные состояния. Такие среды проводят электрический ток – электроны при сколь угодно слабом внешнем электрическом поле могут прийти в движение (есть свободные состояния).

В диэлектриках (изоляторах) энергия Ферми оказывается в запрещенной зоне (иными словами, есть набор полностью заполненных разрешенных зон вплоть до данной, а зоны выше по энергии полностью свободны). Такие среды электрический ток не проводят – электронам некуда переходить при приложении внешнего поля.

Подчеркнем, что эти определения соответствуют нулевой температуры и идеальной (без дефектов) системе.

В металле энергия Ферми лежит в зоне проводимости (в одной из многих). В диэлектриках энергия Ферми лежит между валентной зоной и зоной проводимости [1].

2 Полупроводники

По определению, полупроводниками (semiconductors) называют те диэлектрики, ширина запрещенной зоны которых Eg ≤ 2 eV (иногда критерий жестче 1,5 ≤ eV или даже 1 ≤ eV).

Отличие полупроводников от остальных изоляторов лишь количественное, но достаточно важное: оказывается, что в полупроводниках при комнатной температуре, как правило, концентрация носителей заряда в низшей по энергии зоне проводимости (та, которая была первой пустой при T=0) оказывается заметной. Иногда полупроводниками в широком смысле называют кристаллы, для которых можно найти примеси, которые при добавлении в кристалл поставляют электроны в зону проводимости, или отбирают электроны из валентной зоны [2].