А   Б  В  Г  Д  Е  Є  Ж  З  І  Ї  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ю  Я 


Електричне властивість - тверде тіло

Електричні властивості твердого тіла, згідно з даними фізики, визначаються системою електронних рівнів і рухливістю іонів решітки. Остання обумовлює іонну провідність, яка супроводжується електролізом. Найчастіше носіями струму є електрони, потенційна енергія яких у твердому тілі залежить від хімічної природи тіла і від температури. У твердих тілах потенційна енергія електронів U розподілена по двом зонам: а) по зоні валентних електронів, закріплених у певних атомів решітки; б) по зоні вільних електронів провідності.

Електричні властивості твердого тіла визначаються взаємним розташуванням різних) nepi етіческого зон і розподілом електронів але цим зонам. Відстань між енергетичними рівнями в межах однієї і тієї ж зони значно менше відстаней між енергетичними рівнями різних зон, однак трапляється, що різні зони перекриваються.
 Електричні властивості твердого тіла, згідно з даними фізики, визначаються системою електронних рівнів і рухливістю іонів решітки. Остання обумовлює іонну провідність, яка супроводжується електролізом. Найчастіше носіями струму є електрони, потенційна енергія яких у твердому тілі залежить від хімічної природи тіла і від температури. У твердих тілах потенційна енергія електронів U розподілена по двом зонам1: а) по зоні валентних електронів, закріплених у певних атомів решітки; б) по зоні вільних електронів провідності.

Деякі електричні властивості твердих тіл, мабуть, також повинні бути певним чином пов'язані з енергією кристалічної решітки і, отже, з температурою плавлення.

А. Розподіл енергетичних рівнів валентних електронів твердих тіл, що мають кристалічну структуру. | Енергетичні рівні валентних електронів напівпровідників з примесной електропровідністю. отже, електричні властивості твердого тіла залежать від ширини забороненої зони, яка розділяє заповнену зону і зону провідності.

Вплив поверхні на електричні властивості твердих тіл проявляється в зміні щільності заряду або явищах розсіювання на поверхні.

Незалежно від спостережень хіміків фізики, які вивчають електричні властивості твердих тіл, також встановили, що домішки можуть різко змінювати властивості кристалів. Голландський вчений фервей запропонував навіть теорію, названу їм теорією контрольованої валентності, згідно з якою електропровідність напівпровідників можна регулювати в широких межах за допомогою домішок. У напівпровідник вводять добавки, що містять елементи різної валентності; при цьому утворюються тверді розчини, що володіють заданими електричними властивостями.

В даний час в уявлення про електричні властивості твердих тіл внесені істотні зміни, завдяки яким можливо з єдиної точки зору пояснити відмінності в електропровідності металів, діелектриків та напівпровідників. Такий завданню відповідає зонна теорія твердого тіла, в основі якої лежать поняття про енергетичні рівнях і квантових станах електронів в атомах.

У першому розділі наведено короткі відомості про електричні властивості твердих тіл і принципи побудови перетворювачів на основі електричних явищ в твердих тілах.

Домішки та дефекти кристалічної решітки сильно впливають на електричні властивості твердих тіл.

Домішки та дефекти кристалічної решітки сильно впливають на електричні властивості твердих тіл.

Ширина забороненої зони є основним параметром, що визначає електричні властивості твердого тіла.

Ширина забороненої зони є основним параметром, який визначає електричні властивості твердого тіла.

Домішки та пов'язані з ними дефекти кристалічної решітки також відіграють велику роль в електричних властивостях твердих тіл.

Розглянуті приклади дозволяють резюмувати ті основні положення зонної теорії, які пояснюють з єдиної точки зору спостерігаються на досвіді величезні відмінності в електричних властивостях твердих тіл.

Атоми в кристалах утворюють регулярну просторову решітку з характерною для кожної речовини структурою. Електричні властивості твердих тіл визначаються розташуванням енергетичних рівнів електронів.

До недавнього часу фізика вивчала, а техніка застосовувала або повністю проводять метали, або зовсім не проводять електричний струм ізолятори. У світлі сучасних уявлень про електричні властивості твердого тіла метали і ізолятори представляються як крайні випадки. У металах від кожного атома вже відділений електрон, а всі разом вони переносять електричний струм, вирівнюють температуру всередині металу.

До числа найважливіших характеристик речовини в першу чергу, по-видимому, можна віднести молекулярний (атомний) вага і температуру плавлення. Цікавим є зіставлення зазначених параметрів з пружними, тепловими і електричними властивостями твердого тіла.

Для металів Е3 - 0 що відповідає перекриття валентної і вільної зон. Для напівпровідників величина Е3 коливається від тисячних часток електронвольт до 2 ев, для ізоляторів - від 2 до 8 ев, точних кордонів встановити не можна. Різниця в електричних властивостях твердих тіл можна сформулювати так: енергія активації (рівна ширині забороненої зони) дорівнює нулю у металів, безперервно зростає в ряду напівпровідників, перехідному при збільшенні цієї енергії в ряд ізоляторів. На рис. 1.5 показано розташування енергетичних зон ізолятора, напівпровідника і металу.

Електронна теорія пояснює погану електропровідність у ряду речовин відсутністю вільних електронів. Такі речовини називають діелектриками. Однак далеко не всі електричні властивості твердих тіл, в тому числі і металів, можна пояснити за допомогою електронної теорії.

Каліфорнійський університет, запросивши мене для прочитання курсу лекцій, дав мені можливість привести в струнку систему результати численних досліджень в області фізики кристалів, вироблених мною і моїми співробітниками за останні двадцять п'ять років. Справжня книга відтворює ці лекції. Вже згадана тут область обмежується пружними і електричними властивостями твердих тіл.

Однак взаємодії між атомами викликають обурення вільних атомів, що призводить до появи специфічно нових явищ. Найбільш істотним з них є розщеплення енергетичних рівнів валентних електронів вільних атомів в майже безперервні енергетичні смуги. Це явище багато в чому обумовлює електричні властивості твердих тіл.

Ця природна думка відкидалася тому, що струм зазвичай швидко слабшав; по виключенні зовнішнього джерела з'являвся зворотний струм, - струм не підкорявся тим законам, які були встановлені для провідників. Безпосередніми дослідами мені вдалося показати, що всі ці ускладнення відбуваються через те, що всередині ізолятора при проходженні струму накопичуються електричні заряди, в свою чергу впливають на силу струму. З огляду на їх, ми отримуємо такі ж точні закони струму, як і в провідниках. На основі великого матеріалу була створена загальна теорія струму в ізоляторі і електричні властивості твердих тіл.

З повною очевидністю це розкрилося на наступному, внутрішньо-молекулярні, рівні, коли в курсі електрики і магнетизму вивчалися різноманітні явища, що пояснюється поведінкою заряджених частинок - електронів та іонів в речовині і вакуумі. Однак саме тут повністю розкрилася недостатність класичного опису. X) привів до ультрафіолетової катастрофи, незважаючи на те що він описував взаємодію рівноважного теплового випромінювання зі стінками порожнини, в якій це випромінювання знаходиться, на основі добре розвинених і досконалих методів класичної теорії випромінювання, класичної статистичної фізики та електронної теорії. Аналогічно цьому електричні властивості твердих тіл - металів і особливо напівпровідників - не отримали свого пояснення в класичній теорії. Таких прикладів протягом тритомного курсу було приведено дуже багато. Для повного пояснення багатьох питань вчення про електрику і магнетизм, для тлумачення механізму взаємодії електромагнітного поля з речовиною, уявлень класичної фізики виявилося недостатньо.

З повною очевидністю це розкрилося на наступному, внутрішньо-молекулярні, рівні, коли в курсі електрики і магнетизму вивчалися різноманітні явища, що пояснюється поведінкою заряджених частинок - електронів та іонів в речовині і вакуумі. Однак саме тут повністю розкрилася недостатність класичного опису. X) привів до ультрафіолетової катастрофи, незважаючи на те що він описував взаємодію рівноважного теплового випромінювання зі стінками порожнини, в якій це випромінювання знаходиться, на основі добре розвинених і досконалих методів класичної теорії випромінювання, класичної статистичної фізики та електронної теорії. Аналогічно цьому, електричні властивості твердих тіл - металів і особливо напівпровідників - не отримали свого пояснення в класичній теорії. Таких прикладів протягом тритомного курсу було приведено дуже багато. Для повного пояснення багатьох питань вчення про електрику і магнетизм, для тлумачення механізму взаємодії електромагнітного поля з речовиною, уявлень класичної фізики виявилося недостатньо.

У зв'язку з цим дефектні центри часто називають центрами забарвлення. Найбільший інтерес представляло дослідження впливу таких центрів на електричні властивості твердих тіл, які інтерпретувалися зазвичай в рамках зонної теорії.

Коли атоми щільно упаковані в кристалічній решітці твердого тіла, їх квантові рівні розщеплюються на безліч підрівнів, близько лежачі один до одного. Ці підрівні настільки близькі один до одного, що в результаті утворюються суцільні зони дозволеної енергії. У багатьох твердих речовинах енергетичні зони відстоять один від одного на величину енергії, що носить назву зони забороненої енергії або просто забороненої зони. Самі нижні рівні енергії завжди заповнені електронами. Зона, яку займають зовнішні - валентні - електрони, носить назву валентної зони. Електричні властивості твердого тіла визначаються структурою енергетичних зон і заполненностью їх електронами. Типи розташування енергетичних зон показані на рис. 5.7. Є чотири типи розташування цих зон. У першому випадку нижня зона заповнена не повністю. Це означає, що число енергетичних станів в цій зоні більше, ніж число електронів. Внаслідок цього електрони можуть вільно переміщатися в кристалічній решітці.