ZJAWISKA TRANSPORTU ZAŁOŻENIA

Podobne dokumenty
Model elektronów swobodnych w metalu

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Czym jest prąd elektryczny

Elektryczne własności ciał stałych

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Natężenie prądu elektrycznego

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Elektryczne własności ciał stałych

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Przerwa energetyczna w germanie

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Właściwości kryształów

PRĄD STAŁY. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków wewnątrz przewodnika pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Pole przepływowe prądu stałego

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Pomiar przewodności cieplnej i elektrycznej metali

średnia droga swobodna L

Zadanie 106 a, c WYZNACZANIE PRZEWODNICTWA WŁAŚCIWEGO I STAŁEJ HALLA DLA PÓŁPRZEWODNIKÓW. WYZNACZANIE RUCHLIWOŚCI I KONCENTRACJI NOŚNIKÓW.

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Zjawisko termoelektryczne

Rozszczepienie poziomów atomowych

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

F = e(v B) (2) F = evb (3)

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Elektryczność i Magnetyzm

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Prąd elektryczny stały

Teoria pasmowa ciał stałych

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Różne dziwne przewodniki

Przyrządy półprzewodnikowe

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

W5. Rozkład Boltzmanna

ELEKTRONIKA ELM001551W

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Klasyczny efekt Halla

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

P R A C O W N I A

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

METALE. Cu Ag Au

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

średnia droga swobodna L

POMIAR KONDUKTYWNOŚCI ELEKTRYCZNEJ MATERIAŁÓW PRZEWODOWYCH

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Wykład V Złącze P-N 1

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

30/01/2018. Wykład XI: Właściwości elektryczne. Treść wykładu: Wprowadzenie

ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

LABORATORIUM URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH

Elektryczne własności ciał stałych

ZADANIE 28. Wyznaczanie przewodnictwa cieplnego miedzi

Ruch ładunków w polu magnetycznym

FIZYKA LABORATORIUM prawo Ohma

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Wykład Pole elektryczne na powierzchniach granicznych 8.10 Gęstość energii pola elektrycznego

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

m e vr =nh Model atomu Bohra

Struktura pasmowa ciał stałych

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI. Badanie zjawiska Seebeck a w metalach i półprzewodnikach

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

wymiana energii ciepła

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Własności magnetyczne materii

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 7 PRZEWODNIKI OPÓR OBWODY Z PRADEM STAŁYM. Piotr Nieżurawski. Wydział Fizyki. Uniwersytet Warszawski

Transkrypt:

ZJAWISKA TRANSPORTU Procesy ruchu ładunków/ masy/ energii pod wpływem czynników zewnętrznych (E B T m) ZAŁOŻENIA Stan równowagowy opisuje funkcja FD; Gdy pojawiają się pola zewnętrzne, rozkład elektronów zmienia się. Rozkład ten opisuje nierównowagowa funkcja rozkładu f(r,k,t); Zewnętrzne pola są na tyle słabe że nie powodują zmiany widma energii elektronów. Co oznacza ostatnie założenie? 1

Pole magnetyczne Słabe pola (?) Pole elektryczne Słabe pola (?) 2

Szczególny przypadek: tylko pole elektryczne W polu elektrycznym nośniki ładunku przestają poruszać się wyłącznie bezładnym ruchem. Są unoszone w polu elektrycznym - pojawia się pewna prędkość (albo zgodna, albo przeciwna do pola elektrycznego)= prędkość unoszenia. Szczególny przypadek: tylko pole elektryczne To, że nośniki ładunku mają pewną prędkość w kierunku pola elektrycznego oznacza również, że zmienia się funkcja rozkładu elektronów. kula Fermiego bez pola elektrycznego kula Fermiego w polu elektrycznym 3

Szczególny przypadek: tylko pole elektryczne Wykres przedstawiający funkcję rozkładu Fermiego- Diraca: Szczególny przypadek: tylko pole elektryczne Wielkość przesunięcia kuli Fermiego: k=mv d /ħ kula Fermiego w polu elektrycznym 4

Szczególny przypadek: tylko pole elektryczne To, że nośniki ładunku mają pewną prędkość w kierunku pola elektrycznego oznacza, że płynie prąd elektryczny. Prąd Natężenie prądu: wypadkowy ładunek (q) na jednostkę czasu (t) przepływający przez przekrój przewodnika. I= q/t I powierzchnia S Częściej korzysta się z pojęcia gęstości prądu. Gęstość prądu: wypadkowy ładunek na jednostkę czasu przepływający przez jednostkę powierzchni przekróju przewodnika j = q/ts 5

Prąd I x=v d t j = q/ts=ne/ts=n(ls)e/ts j=nel/t j=nev d S = pole przekroju poprzecznego przewodnika N = ładunek w objętości V= xs n = ilość nośników ładunku na jednostkę objętości (koncentracja) Prąd I x Prawo Ohma U = RI x R = ρ U = E x S j = I S j = 1 E ρ = σe 6

oporność i przewodność właściwa Prąd Elektron przyspiesza w czasie pomiędzy zderzeniami (czas τ) Velocity gained along x Present time v x1 -u x1 Last collision Electron 1 time t 1 Free time t v x1 -u x1 t 2 Electron 2 t time v x1 -u x1 v d qeτ = m t 3 Electron 3 t time Fig. 2.3: Velocity gained in the x-direction at time t from the electric field (Ex) for three electrons. There will be N electrons to consider in the metal. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca Prąd oporność i przewodność właściwa w stanie równowagi średnia prędkość unoszenia jest ustalona; tzn. przyspieszenie a = 0. v d qeτ = m j = nqv d = 2 nq Eτ m σ = j E = 2 nq τ m 7

Podsumowanie Prędkość unoszenia to prędkość kierunkowego ruchu nośników ładunku. Prędkość, którą nośniki nabywają przyspieszane przez pole elektryczne w czasie między zderzeniami. qeτ v d = m τ: czas pomiędzy zderzeniami (czas relaksacji). Przykłady V d n w metalu wynosi około 10 22-10 23 e - cm -3 Typowe V d to kilka cm na sekundę Uwaga: średnia prędkość elektronów w metalu w temperaturze pokojowej: kilka * 10 8 cms -1! Większość drutów stopiłoby się przy prędkości V d rzędu 100 cms -1 8

Ruchliwość nośników ładunku n vd E µ = p vd E µ = τ e n * mn eτn * mp Miarą ruchliwości jest prędkość nabyta przez nośnik ładunku w jednostkowym polu elektrycznym (cm 2 /V.s). Dziury i elektrony różnią się ruchliwością. σ = en µ, j = enµ E n n n σ = ep µ, j = epµ E p x x n p x x Metale i półprzewodniki metal: półprzewodnik: 2 2 ne τ σ = m * ne τ σ n n =, σ p = m * n pe m 2 p τ p * 9

Przewodnictwo elektryczne: zależność od temperatury Przewodność elektryczna zależy od: koncentracji nośników ładunku, ich masy efektywnej oraz od czasu relaksacji. W przypadku metali tylko czas relaksacji zależy od temperatury. W półprzewodnikach: również koncentracja nośników ładunku. Przewodnictwo elektryczne: zależność od temperatury Istnieje wiele mechanizmów rozpraszania elektronów: na fononach domieszkach zjonizowanych domieszkach obojętnych innych defektach (np. dyslokacjach) domieszkach magnetycznych (efekt Kondo) elektronach 10

Przewodnictwo elektryczne: zależność od temperatury Strained region by impurity exerts a scattering force F = - d(pe) /dx Rozpraszanie elektronów τ I τ Τ Fig. 2.5: Two different types of scattering processes involving scattering from impurities alone and thermal vibrations alone. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca Przewodnictwo elektryczne: zależność od temperatury Wszystkie procesy rozpraszania są obecne jednocześnie. O tym, który z nich, w danych warunkach dominuje decyduje proces najszybszy (reguła Matthiesena). 1 1 = τ τ i Reguła Matthiesena: prawdopodobieństwo rozproszenia elektronu jest sumą prawdopodobieństw rozproszenia za pomocą poszczególnych procesów: 11

Metale W temperaturach wysokich dominuje rozpraszanie elektronfonon V = V na poziomie Fermiego = const Czas relaksacji : τ T -1. W niskich temperaturach w metalu zachodzi nisko-kątowe rozpraszanie elektron-fonon, w którym: τ T -5. Metale W temperaturach niskich dominuje rozpraszanie elektrondomieszki zjonizowane V = V na poziomie Fermiego = const Czas relaksacji : τ = const Domieszki obojętne, dyslokacje, naprężenia i inne defekty wnoszą wkład do oporu resztkowego (albo bardzo słaba zależność od temperatury, albo stały czynnik). 12

Metale W bardzo czystych metalach, w niskich temperaturach obserwuje się wkład do oporu od rozpraszania elektron-elektron. Oba elektrony uczestniczące w rozpraszaniu muszą mieć energię w zakresie kt wokół energii Fermiego. Dlatego prawdopodobieństwo rozproszenia jest zależne od temperatury: 1 = τ ( kt ) 2 E F 2 Metale Razem: 13

Zależność oporu metalu od temperatury w całym zakresie 100 10 ρ T Resistivity (nω m) 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 ρ = ρ R ρ T 5 ρ (nω m) 3.5 3 ρ T 2.5 2 1.5 ρ T 5 1 0.5 ρ = ρ R 0 0 20 40 60 80 100 T (K) 1 10 100 1000 10000 Temperature (K) Fig.2.7: The resistivity of copper from lowest to highest temperatures (near melting temperature, 1358 K) on a log-log plot. Above about 100 K, ρ T, whereas at low temperatures, ρ T 5 and at the lowest temperatures ρ approaches the residual resistivity ρ R. The inset shows the ρ vs. T behavior below 100 K on a linear plot ( ρ R is too small on this scale). From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca Efekt Kondo W niektórych metalach zawierających domieszki magnetyczne obserwuje się tzw efekt Kondo: minimum oporu w pewnej, niskiej temperaturze. Za to zjawisko odpowiedzialne jest rozpraszanie elektronów ze zmianą spinu. 14

PÓŁPRZEWODNIK W temperaturach wysokich dominuje rozpraszanie elektronfonon V jest proporcjonalne do T 1/2 Czas relaksacji : <τ > T -3/2. PÓŁPRZEWODNIK W temperaturach niskich dominuje rozpraszanie elektrondomieszki zjonizowane V jest proporcjonalne do T 1/2 Czas relaksacji : <τ> T 3/2. 15

PÓŁPRZEWODNIK Zależność ruchliwości (czasu relaksacji) od temperatury w półprzewodniku niezdegenerowanym. PÓŁPRZEWODNIK Zależność ruchliwości (czasu relaksacji) od temperatury w półprzewodniku niezdegenerowanym wraz z prawdziwymi wynikami. 16

PÓŁPRZEWODNIK O przewodnictwie półprzewodnika decyduje zależność koncentracji nośników ładunku od temperatury. W przypadku półprzewodnika domieszkowanego: ln(n d ) ln(n) T i Intrinsic slope = -E g /2k n i (T) Extrinsic T s Ionization slope = - E/2k Fig. 5.15: The temperature dependence of the electron concentration in an n-type semiconductor. 1/T From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca Transport ciepła Transport ciepła może odbywać się wskutek: zjawisk dyfuzyjnych wynikających z istnienia gradientu temperatury; uporządkowanego ruchu ładunków; r W = Π r j κ T 17

Przewodnictwo cieplne: podstawy. cząstkami przenoszącymi energię cieplną są: Fonony (kwanty drgań sieci krystalicznej, są to nie tyle cząstki, co tzw. quasicząstki); Elektrony (ich udział jest istotny tylko w metalach i półprzewodnikach); j q r = nev = κ T Przewodnictwo cieplne: podstawy. Pewna cząstka, w pewnej chwili, znajduje się w punkcie x o temperaturze T. Ma ona, zatem energię odpowiadającą tej temperaturze E(T(x)). Po czasie τ, cząstka ta ulegnie rozproszeniu na czymś, co znajduje się w punkcie x+vτ. Punkt ten ma inną temperaturę, zatem po rozproszeniu, cząstka też będzie miała odpowiednio inną energię; E(T(x+vτ)). T(x), E(T(x)), v x T(x), E(T(x)), v x T(x+vτ), E(T(x+vτ)), v x+vτ 18

Zatem, współczynnik przewodnictwa cieplnego wynosi: Gdzie: Przewodnictwo cieplne: podstawy. κ = 1 vc 3 1 3 2 vλ = v τc v v jest średnią prędkością cząstki przenoszącej energię cieplną; λ jest jej średnią drogą swobodną (przebywaną między zderzeniami); c v jest odpowiednim ciepłem właściwym. τ- czas relaksacji Całkowite przewodnictwo cieplne ciała stałego jest sumą przewodnictwa elektronowego i sieciowego. W metalach poniżej temperatury Debye a dominuje przewodnictwo elektronowe. W półprzewodnikach dopiero w wysokich temperaturach przewodnictwo elektronowe staje się istotne (InSb T>500K, Si T>1000K). Wyniki doświadczalne: miedź NaF (przewodnictwo wyłącznie fononowe 19

Elektronowe przewodnictwo cieplne metalu HEAT HOT COLD Electron Gas Vibrating Cu + ions Fig. 2.18: Thermal conduction in a metal involves transferring energy from the hot region to the cold region by conduction electrons. More energetic electrons (shown with longer velocity vectors) from the hotter regions arrive at cooler regions and collide there with lattice vibrations and transfer their energy. Lengths of arrowed lines on atoms represent the magnitudes of atomic vibrations. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca W metalach znane jest również eksperymentalne prawo Wiedemannna Franza: κ L = = σ T const 20

Prawo Wiedemanna- Franza : W niezbyt niskich temperaturach, stosunek przewodnictwa cieplnego metalu do jego przewodnictwa elektrycznego jest proporcjonalny do temperatury, a stała proporcjonalności nie zależy od rodzaju metalu. K el σt = π 2 nk B2 τ 3m * ne 2 τ m * = π 2 3 k B e 2 L = 2.45 10 8 W Ω / K 2 Metal 0 C 100 C Metal 0 C 100 C Ag 2.31 2.37 Pb 2.47 2.56 Au 2.35 2.40 Pt 2.51 2.6 Cu 2.23 2.33 W 3.04 3.20 Mo 2.61 2.79 Zn 2.31 2.33 Przewodnictwo cieplne w T=298 K, [W/mK] 1. Diament 895-2300 2. Nanorurki 1400 3. Cu 386 4. Au 317 5. Al 237 21

Wpływ gradientu temperatury na funkcję rozkładu 22