- •О.С.Агеева, т.Н.Строганова, к.С.Чемезова
- •Предисловие
- •1.Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Волновая функция
- •1.4. Уравнение Шредингера
- •1.5. Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •1.6. Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •1.7. Понятие о туннельном эффекте.
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Состояния электрона в атоме водорода
- •1.9. 1S– состояние электрона в атоме водорода
- •1.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •1.11. Спектр атома водорода
- •1.12. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •1.13. Лазеры
- •1.13.1. Инверсия населенностей
- •1.13.2. Способы создания инверсии населенностей
- •1.13.3. Положительная обратная связь. Резонатор
- •1.13.4. Принципиальная схема лазера.
- •1.14. Уравнение Дирака. Спин.
- •2. Зонная теория твердых тел.
- •2.1. Понятие о квантовых статистиках. Фазовое пространство
- •2.2. Энергетические зоны кристаллов. Металлы. Полупроводники. Диэлектрики
- •Удельное сопротивление твердых тел
- •2.3. Метод эффективной массы
- •3. Металлы
- •3.1. Модель свободных электронов
- •При переходе из вакуума в металл
- •3.2. Распределение электронов проводимости в металле по энергиям. Уровень и энергия Ферми. Вырождение электронного газа в металлах
- •Энергия Ферми и температура вырождения
- •3.3. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.4. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников. Применение сверхпроводимости
- •3.5. Понятие об эффектах Джозефсона
- •4. Полупроводники
- •4.1. Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников
- •4.2. Собственные полупроводники
- •4.3.Примесные полупроводники
- •4.3.1.Электронный полупроводник (полупроводник n-типа)
- •4.3.2. Дырочный полупроводник (полупроводник р-типа)
- •4.3.3.Компенсированный полупроводник. Частично компенсированный полупроводник
- •4.3.4.Элементарная теория примесных состояний. Водородоподобная модель примесного центра
- •4.4. Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников
- •4.4.1.Температурная зависимость концентрации носителей заряда
- •4.4.2.Температурная зависимость подвижности носителей заряда
- •4.4.3. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводникаn-типа
- •4.4.5. Термисторы и болометры
- •4.5. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках
- •4.6. Диффузия носителей заряда.
- •4.6.1. Диффузионная длина
- •4.6.2. Соотношение Эйнштейна между подвижностью и коэффициентом диффузии носителей заряда
- •4.7. Эффект Холла в полупроводниках
- •4.7.1. Возникновение поперечного электрического поля
- •4.7.2. Применение эффекта Холла для исследования полупроводниковых материалов
- •4.7.3. Преобразователи Холла
- •4.8. Магниторезистивный эффект
- •5. Электронно-дырочный переход
- •5.1.Образование электронно-дырочного перехода
- •5.1.1. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)
- •5.1.2.Прямое включение
- •5.1.3.Обратное включение
- •5.2.КласСификация полупроводниковых диодов
- •5.3. Вольт-амперная характеристика электроннно-дырочного перехода. Выпрямительные, детекторные и преобразовательные диоды
- •5.3.1.Уравнение вольт-амперной характеристики
- •Классификация полупроводниковых диодов
- •5.3.2.Принцип действия и назначение выпрямительных, детекторных и преобразовательных диодов
- •5.4. Барьерная емкость. Варикапы
- •5.5.Пробой электронно-дырочного перехода
- •5.6. Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках.
- •6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы
- •6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник
- •5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов
- •6.2.Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.
- •6.2.1.Воздействие света наp-n-переход
- •7.Люминесценция твердых тел
- •7.1.Виды люминесценции
- •7.2.Электролюминесценция кристаллофосфоров
- •7.2.1. Механизм свечения кристаллофосфоров
- •7.2.2. Основные характеристики электролюминесценции кристаллофосфоров
- •7.2.3.Электролюминесцентный источник света
- •7.3.Инжекционная электролюминесценция. Устройство и характеристики светодиодных структур
- •7.3.1.Возникновение излучения в диодной структуре
- •7.3.2.Конструкция светодиода
- •7.3.3.Основные характеристики светодиодов
- •7.3.4.Некоторые применения светодиодов
- •7.4 Понятие об инжекционных лазерах
- •8. Транзисторы
- •8.1.Назначение и виды транзисторов
- •8.2.Биполярные транзисторы
- •8.2.1 Структура и режимы работы биполярного транзистора
- •8.2.2.Схемы включения биполярных транзисторов
- •8.2.3.Физические процессы в транзисторе
- •8.3.Полевые транзисторы
- •8.3.1.Разновидности полевых транзисторов
- •8.3.2.Полевые транзисторы с управляющим переходом
- •8.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Структуры мдп-транзисторов
- •8.3.4.Принцип действия мдп-транзисторов с индуцированным каналом
- •8.3.5. Мдп-транзисторы со встроенным каналом
- •8.4. Сравнение полевых транзисторов с биполярными
- •Заключение
- •1.Элементы квантовой механики 4
- •2. Зонная теория твердых тел. 42
- •3. Металлы 50
- •4. Полупроводники 65
- •5. Электронно-дырочный переход 97
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках. 108
- •7.Люминесценция твердых тел 113
- •8. Транзисторы 123
2. Зонная теория твердых тел.
2.1. Понятие о квантовых статистиках. Фазовое пространство
Статистической физикой (сокращенно – статистикой) называют теорию систем, состоящих из большого числа частиц. Под большим числом частиц понимают число порядка числа Авогадро.
Квантовая статистика - это статистический метод исследования, применимый к системам, подчиняющимся законам квантовой механики.
Квантовая статистика строится на принципе неразличимости тождественных частиц: все одинаковые частицы считаются принципиально неразличимыми.
В классической статистике при нахождении функции распределения молекул идеального газа по скоростям пользуются не совсем привычным пространством, осями координат которого являются компоненты вектора скорости Vx, Vy, Vz., а при рассмотрении распределения молекул по энергиям вводят еще три координаты -x, y, z. Таким образом, в неявном виде используются 6 координатных осей.
Для описания состояния системы частиц в квантовой статистике вводится пространство шести измерений – фазовое пространство. Осями координат шестимерного фазового пространства выбирают обычные осиx, y, zи проекции импульсаpx, py, pz.
Элемент объема шестимерного фазового пространства определяется следующим образом:
= x.y.z.px.py.pz. (2.1.1)
Для частиц, подчиняющимся законам квантовой механики, должны выполняться соотношения неопределенностей Гейзенберга:
x.px h
y.py h (2.1.2)
z.pz h.
Поэтому состояние микрочастицы в фазовом пространстве следует изображать не точкой, а элементарной ячейкой, объем которой будет равен h3.
В квантовой статистике решается задача о распределении частиц по ячейкам фазового пространства. Характер распределения частиц зависит от того, к какому из двух видов относятся частицы: к фермионамилибозонам.
Частицы с полуцелым спином называются фермионами.К фермионам относятся, например, электроны, протоны, нейтроны. Системы фермионов описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются принципу Паули: в данном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. Распределение фермионов по квантовым состояниям описывается функцией Ферми-Дирака:
.(2.1.3)
Частицы с нулевым и целым спином называются бозонами.К бозонам относятся, например, фотоны (кванты электромагнитного поля), фононы (кванты энергии звукового поля), некоторые ядра. Системы бозонов описываются симметричными волновыми функциями и не подчиняются принципу Паули: число бозонов в данном квантовом состоянии может быть любым. Распределение бозонов по квантовым состояниям описывается функцией Бозе-Эйнштейна
.(2.1.4)
В выражениях(2.1.3) и(2.1.4)f – функция распределения частиц, имеющая смысл среднего числа частиц в состоянии с энергиейЕ, - химический потенциал (эта величина имеет размерность энергии и определяется работой, совершаемой для увеличения числа частиц на единицу).
Система частиц (в частности, идеальный газ) называется вырожденной, если ее свойства значительно отличаются от свойств систем, подчиняющихся классической статистике. Параметром вырождения называют величину
. (2.1.5)
При малой степени вырождения A << 1 и, функцию распределения можно представить в виде
(2.1.6)
В этом случае распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна переходят в классическое распределение Максвелла-Больцмана.
Вырождение газов становится существенным при низких температурах: чем ниже температура, тем более отчетливо проявляются квантовые свойства.