Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 46
Текст из файла (страница 46)
По форме молекула фуллерена С60 напоминает покрышку футбольногомяча и имеет структуру правильного усеченного икосаэдра.Фуллерены можнорассматривать как сферическую форму графитаОчень необычны свойства фуллеренов. Так кристаллические фуллереныпредставляют собой полупроводники и обладают фотопроводимостью приоптическом излучении, а кристаллы С60 легированные атомами щелочных металлов,обладают металлической проводимостью и переходят в сверхпроводящее состояниепри 30 К и выше.
Превращение кристаллического фуллерена в алмаз происходит дажепри комнатной температуре при давлении 20 ГПа, а при нагреве фуллерена до 1500 К,для перехода в алмаз достаточно давления 7 ГПа.Растворы фуллеренов имеют нелинейные оптические свойства, что проявляетсяв резком снижении прозрачности раствора при превышении некоторого критическогозначения интенсивности оптического излучения Фуллеренам посвящено огромноеколичество литературы.Рассеяние и поглощение света наночастицамипо сравнению смакроскопическим твердым телом имеет ряд особенностей.
Размерные эффектыоптических свойств существенны для наночастиц, размер которых заметно меньшедлины волны и не превышает 10−15 нм. Различия спектров поглощения наночастиц имассивных металлов обусловлены различием их диэлектрической проницаемостиε=ε1+iε2. Диэлектрическая проницаемость наночастиц с дискретным энергетическимспектром зависит как от размера частиц, так и от частоты излучения.
Более того,значение диэлектрической проницаемостизависит от частоты не монотонно, аосциллирует вследствие переходов между электронными состояниями. В ряде работпоказано, что мнимая часть диэлектрической проницаемости ε2 примерно обратнопропорциональна радиусу частицы. От размера частиц зависят также ширина полосыпоглощения и форма низкочастотного края полосы поглощения.В последние годы большой интерес вызывают исследования размерныхэффектов в оптических и люминесцентных свойствах полупроводниковых веществ,так как оптическое поглощение — один из основных методов изучения их зоннойструктуры.
Электронное возбуждение полупроводниковых кристаллов приводит кобразованию слабосвязанной электронно-дырочной пары − экситона. Областьделокализации экситона может во много раз превосходить период кристаллическойрешетки. Уменьшение полупроводникового кристалла до размеров, сопоставимых сразмерами экситона, влияет на его свойства.Рекомбинация генерированных светом зарядов приводит к люминесценциинаночастиц. Изучение спектров люминесценции наночастиц ZnO, ZnS, CdS, CdSeобнаружило голубое смещение, т.е. сдвиг спектров в коротковолновую область приуменьшении размера частиц. При заданном размере наночастицы время затухания189люминесценции зависит от длины волны и тем меньше, чем больше энергия и меньшедлина волны испускаемого кванта света.Изолированные наночастицы обычно получают испарением металла, сплава илиполупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкогодавления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности.Осаждением на подложку можно получать пленки и покрытия из паров, плазмыили коллоидного раствора.
Используется также лазерное импульсное испарениеметаллов в пучке ионов кислорода и последующее осаждение оксидов на подложку стемпературой 350− 700 К.Методом осаждения наночастиц оксидов получены полупроводниковые пленкиZnO, SnO2, NiO2, WO3. Использование лазерного излучения позволяет снизить до 600−900 К температуру, развивающуюся при осаждении из газовой фазы, что способствуетобразованию нанокристаллических пленок.Вопросы для самопроверкиВопрос. Какая ширина запрещенной зоны у полупроводников?Ответ. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества,ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 - 3.0 эВ.Вопрос.
От чего зависит удельная проводимость полупроводников?Ответ. Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит отвида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерначувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационномувоздействию, давлению и др.Вопрос. Какие материалы относятся к полупроводникам?.Ответ. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения:простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера,сурьма, мышьяк; окислы и сульфиды многих металлов: NiO, Cu2O, CuO, CdO, PbS ;тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe2, PbBiSe3 и др.; твердые растворы GeSi, GaAs1-xPx и др.; органические красители и другие материалы: анрацен, фталоцианин, нафталини другие.Вопрос.Перечислитеважнейшиеэлектрофизическиепараметрыполупроводников.Ответ.
Удельная электрическая проводимость (или величина обратная ей удельное электрическое сопротивление), концентрация электронов и дырок,температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны,энергия активации примесей, работы выхода, коэффициента диффузии носителейзаряда.Вопрос.
Перечислите фундаментальные параметры полупроводников.Ответ. К фундаментальным параметрам относятся плотность, постояннаякристаллической решетки, коэффициент теплопроводности, температура плавления.Вопрос. Какая электропроводность полупроводников называется собственной?Ответ.
Электропроводность, обусловленная собственными носителями зарядаполупроводника.190Вопрос. Какая электропроводность полупроводников называется примесной?Ответ. Электропроводность, обусловленная носителями заряда полупроводника,возникающими за счет ионизации атомов примеси.Вопрос. Какие примеси называются донорными?Ответ. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называютсядонорными.Вопрос. Какие примеси называются акцепторными?Ответ. Примеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, называютсяакцепторными.Вопрос.
Какие факторы оказывают влияние на температурную зависимостьподвижности?Ответ. Основные причины, влияющие на температурную зависимостьподвижности это рассеяние на: тепловых колебаниях атомов или ионовкристаллической решетки; на атомах или ионах примесей; на дефектах решетки (пустыхузлах, искажениях, связанных с внедрением иновалентных ионов, дислокациями,трещинами и т.д.).Вопрос.
Что представляет собой p-n переход?Ответ. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от другаобласти с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике.Вопрос. В чем состоит эффект Холла?Ответ. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на граняхполупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле.Вопрос. Какие области применения датчиков Холла?Ответ. С их помощью возможно измерение магнитной индукции илинапряженности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактампеременных напряжений - и преобразование сигналов.191Проводниковые материалыПрирода проводимости и основные характеристикипроводниковых материаловИз проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехникенаиболее часто применяют металлы и сплавы.Особенности атомного строения и свойств металлов и сплавов в электроннойтеории металлов физики пытаются объяснить в последние сто лет на основаниисуществования в металлах свободных электронов.
Можно сказать, что с моментасвоего зарождения теории электропроводности в металлах и сплавах имеют тринаправления развития.1. Ha заре двадцатого столетия была разработана теория свободныхэлектронов Друде и Лорентцем, которые предположили, что металлысодержат свободные электроны, допустив при этом, что движение иповедение электронов подчиняется законам классической механики.2. В 1928 г. Зоммерфельдом была разработана квантовая теория свободныхсвободных электроновэлектронов,согласнокоторой движениеподчиняется законам квантовой механики.3.
В 1928 г. Блохом была предложена зонная теория,в которойрассматривается движение свободных электронов в периодическом полекристаллической решетки.Независимо от хронологического размещения всех этих теорий среди другихтеорий, объясняющих аналогичные свойства металлического состояния, они являютсянаиболее общими теориями металлов и сплавов, дополняя и обогащая друг друга.Модели Друде и Лорентца относятся к так называемым классическим моделям иизлагаются для того, чтобы подвести фундамент под современные физические, вчастности квантовые модели.
Модель Друде позволяет построить наглядную картину иполучить грубые оценки характеристик, более точное определение которых могло быпотребовать сложного анализа. Однако она не объясняет некоторые эксперименты иприводит к ряду концептуальных трудностей, которые нашли свое разрешение лишьпосле создания сложной и тонкой квантовой теории твердого тела.Согласно классической теорииметаллы можно рассматривать каккристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженных в среду изсвободных коллективизированных электронов, называемой "электронным газом" или"электронной жидкостью".Рис. 9.1.
Классическая модель металла согласно Друдеи Лорентцу192Посколькув металлах валентныеэлектроныколлективизированыиделокализованы,связи носят ненаправленный и ненасыщенный характер.Электронная плотность валентных электронов равномерно распределена по общемуобъему металлического кристалла, что доказано экспериментально.С позиций квантово-механических представлений металлы можно рассматриватькак совокупность положительно заряженныхионных остовов с большимипромежутками между ионами, заполненными "электронным газам" таким образом,чтобы на макроскопическом уровне система оставалась электронейтральной.Наличие свободных делокализованных электронов обусловливает высокуюпластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.Свободные электроны, совершающие тепловые колебания с средней скоростьюпорядка 105 м/с, под действием электрического поля приобретают некоторуюдобавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызываетпротекание электрического тока.В металлах в изотермических условиях хорошо выполняется закон Ома, которыйчасто записывают в видеJ = γE,где скалярная удельная проводимость γ [ 0м−1 ⋅м −1] связывает плотность тока J[А/м ] с напряженностью электрического поля Е [В/м].Теплопроводность металлов складывается из теплопроводности, обусловленнойфононами, и теплопроводности, обусловленной свободными электронами:2λ = λ реш + λэлСопоставление теплопроводности металлов и изоляторов показывает, что вметаллах наиболее эффективным является в общем случае перенос теплаэлектронным механизмом.
Если допустить, что фононный вклад в теплопроводностьметалла и изолятора одинаковы, то теплопроводность металла, обусловленнаяэлектронами, будет в 100 раз выше, теплопроводности, обусловленной фононами.Плотность тока J связана с напряженностью электрического поля Е формулой:J = γ ⋅ E,известной, как закон Ома в дифференциальной форме. Здесь γ удельнаяпроводимость в симменсах на метр. Удельное сопротивление:ρ=1γ.измеряется в Ом м или в внесистемных единицах Ом.мм2/м. Предпочтительнеепользоваться единицами СИ — мкОм.мСвязь между единицами удельного сопротивления:1Ом.м = 106мкОм.м = 106Ом.мм2/м .Согласно классической теории металлов:γ=e2 ⋅ n ⋅ l,2m ⋅ VTгде e - заряд электрона, n - концентрация свободных электронов, l - средняя длинасвободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки, m - массаэлектрона, VT - средняя скорость теплового движения электрона.193Теплопроводность металлаВ 1863 г.
Видеман и Франц установили, что металлы обладают одновременно,хорошей электропроводностью и электронной теплопроводностью λТ. Отношение λТ/γсовпадающее для разных металлов при данной температуре, называют закономВидемана-Франца-Лоренца.Лоренц в 188I г. заметил, что это отношение, отнесенное к температуре, независит от температуры и для многих металлов имеет одинаковую величинуL= λТ/ γ.T, называемую числом Лоренца.Lo=2.45.10-8 В2/К2 - число Лоренца, Т - температура.Этот закон выполняется для электронной составляющей теплопроводности, еслисчитать, что столкновение электронов носит упругий характер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
