S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Podobne dokumenty
Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

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

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Teoria pasmowa ciał stałych

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

Elektryczne własności ciał stałych

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

Przerwa energetyczna w germanie

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

P R A C O W N I A

Elektryczne własności ciał stałych

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Rozszczepienie poziomów atomowych

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II dla EiT oraz E, lato

Dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Wprowadzenie do ekscytonów

Modele kp wprowadzenie

Stany skupienia materii

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Rok akademicki: 2016/2017 Kod: NIM s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

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

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Model elektronów swobodnych w metalu

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

Elementy teorii powierzchni metali

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

STRUKTURA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II, lato

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

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Absorpcja związana z defektami kryształu

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

S T R U K T U R Y J E D N O W Y M I A R O W E. W Ł A S N O Ś C I. P R Z Y K Ł A D Y. JOANNA MIECZKOWSKA FIZYKA STOSOWANA

Struktura energetyczna ciał stałych

Elektryczne własności ciał stałych

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

Numeryczne rozwiązanie równania Schrodingera

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Struktura pasmowa ciał stałych

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Czym jest prąd elektryczny

Różne dziwne przewodniki

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

LABORATORIUM Z FIZYKI

Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Przejścia promieniste

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

ĆWICZENIE 6. Metale, półprzewodniki, izolatory

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Podstawy krystalografii

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Krawędź absorpcji podstawowej

Fizyka Ciała Stałego

Ćwiczenie 5 BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY 1.WIADOMOŚCI OGÓLNE

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

C h można przedstawić w bazie wektorów bazowych grafenu (*) (**) Nanorurki węglowe (jednościenne)

Podstawy fizyki wykład 4

FALOWA I KWANTOWA HASŁO :. 1 F O T O N 2 Ś W I A T Ł O 3 E A I N S T E I N 4 D Ł U G O Ś C I 5 E N E R G I A 6 P L A N C K A 7 E L E K T R O N

Badanie charakterystyki diody

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Nadprzewodnictwo. Nadprzewodnictwo

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

W5. Rozkład Boltzmanna

elektryczne ciał stałych

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Metody rozwiązania równania Schrödingera

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Skończona studnia potencjału

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

Zasady obsadzania poziomów

Transkrypt:

Pasma energetyczne

Niedostatki modelu gazu Fermiego elektronów swobodnych Pomimo wielu sukcesów model nie jest w stanie wyjaśnić następujących zagadnień: 1. różnica między metalami, półmetalami, półprzewodnikami i izolatorami 2. występowanie dodatnich wartości współczynnika Halla 3. pewne własności transportowe (np. ciężkie fermiony), w szczególności magnetotransportowe (np. magnetoopór) Przewodniki (metale, półmetale), a półprzewodniki i izolatory Wartości elektrycznego oporu właściwego w temperaturze pokojowej obejmują wiele rzędów wielkości: od 10-8 Ωm (np. 1.6 10-8 Ωm dla Ag) aż do 1024 Ωm (np. teflon). Materiały można podzielić na metale, półmetale, półprzewodniki i izolatory biorąc jako kryterium wartość oporu właściwego. Taki podział wymaga jednak arbitralnego przyjęcia wartości oporu rozgraniczających poszczególne klasy materiałów. Alternatywnym kryterium podziału może być zależność oporu od temperatury. W przypadku przewodników opór rośnie wraz z temperaturą (wyjaśnić to można na bazie modelu gazu Fermiego elektronów swobodnych czy klasycznego modelu Drudego). W półprzewodnikach i izolatorach opór maleje z temperaturą. Jak zostanie to wykazane w dalszej części wykładu zależność oporu elektrycznego od temperatury wiąże się ściśle z zapełnieniem pasm energetycznych w stanie podstawowym (0 K). W półprzewodnikach (izolatorach) w temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne (tworzone przez e- walencyjne) jest całkowicie obsadzone. Powyżej pasma walencyjnego znajduje się obszar energii, w którym brak jest stanów elektronowych zwany przerwą energetyczną (przerwą wzbronioną). Sąsiadujące z nią od strony wyższych energii pasmo przewodnictwa jest całkowicie puste (brak nośników prądu). W przewodnikach pasmo przewodnictwa (będące w tym przypadku zarazem pasmem walencyjnym) jest wypełnione częściowo dzięki czemu e- mogą obsadzać wolne stany co może doprowadzić do pojawienia się niezerowego wypadkowego pędu e- dającego transport ładunku elektrycznego (przepływ prądu elektrycznego).

Pasma energetyczne źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 1, str. 197

Pasma energetyczne jako konsekwencja zakazu Pauliego źródło: H. Ibach, H. Lüth, Fizyka..., rys. 1.1, str. 15

Model prawie swobodnych elektronów (ruch e- jest słabo zaburzony przez periodyczny potencjał dodatnich jonów) źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 3, str. 200

Model prawie swobodnych elektronów (ruch e- jest słabo zaburzony przez periodyczny potencjał dodatnich jonów) źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 2, str. 199

Twierdzenie Blocha Funkcje własne równania Schrödingera dla potencjału periodycznego są iloczynem funkcji ik r opisującej falę płaską e i funkcji uk(r) o periodyczności sieci kryształu. Ψk(r) = uk(r) eik r gdzie uk(r) = uk(r + T) T wektor translacji sieciowej

Funkcja Blocha Funkcja Blocha zawierająca składową opisaną wektorem falowym k zawiera również składowe opisane wektorami k + G, gdzie G jest wektorem sieci odwrotnej. Odpowiednie współczynniki są powiązane równaniem: (λk - ε)ck + ΣGUGCk-G = 0, gdzie λk = ħ2k2/2m źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 7, str. 206

Funkcja Blocha kwazipęd elektronu w krysztale Sens fizyczny wektora falowego k, używanego do indeksowania funkcji Blocha 1. W zderzeniach e- z fononem wielkość ħk nazywana jest kwazipędem lub pędem krystalicznym e- ponieważ w zderzeniu musi być spełniona reguła wyboru: k + q = k' + G gdzie k i k' są kwazipędem e odpowiednio przed i po zderzeniu, q kwazipędem fononu, a G wektorem sieci odwrotnej. Dobierając odpowiednio G można sprowadzić k, k', q do wybranych stref Brillouina. - 2. Działanie operatora translacji sieciowej T T(Ψk(r)) = Ψk(r + T) = uk(r + T) eik Teik r = eik Tuk(r) eik r = eik T Ψk(r) T(Ψk-G(r)) = ei(k-g) T Ψk-G(r) =e-ig Teik T Ψk-G(r) = eik T Ψk-G(r) (we wzorach powyższych skorzystano z własności f. Blocha: uk(r) = uk(r + T) ) 3. Gdy znika potencjał sieci, równanie (λk - ε)ck + ΣGUGCk-G = 0 redukuje się do (λk - ε)ck = 0. Oznacza to, że w funkcji Blocha opisanej wektorem falowym k nie występują już składniki z wektorami falowymi różniącymi się od k o wektor sieci odwrotnej G. Wtedy uk(r) = ΣGCk-Ge-ik G = Cke-ik 0 = Ck = const ponieważ Ck-G = 0 dla G 0. Funkcja falowa przyjmuje postać fali płaskiej: Ψk(r) = eik r jak ma to miejsce dla e- swobodnego.

Przybliżenie pustej sieci Strefa zredukowana w przybliżeniu pustej sieci dla sieci regularnej źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 8, str. 212

Relacja dyspersji w pobliżu granicy strefy Brillouina w modelu prawie swobodnych elektronów źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 9, str. 214

Stosunek współczynników Ck i Ck-G w pobliżu granicy strefy Brillouina w modelu prawie swobodnych elektronów źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 10, str. 215

Metale i izolatory Kryształ składający się z N prymitywnych komórek elementarnych ma 2N stanów elektronowych w każdym paśmie. Warunkiem koniecznym, aby kryształ był izolatorem jest całkowita i parzysta liczba elektronów walencyjnych na prymitywną komórkę elementarną. Nie jest to jednak warunek wystarczający ponieważ pasma energetyczne mogą się przekrywać w skali energii dając w rezultacie zamiast jednego pasma całkowicie zapełnionego dwa (lub więcej) pasm zapełnionych częściowo. Tak jest np. w berylowcach, które są metalami pomimo tego, że na prymitywną komórkę elementarną przypadają dwa elektrony walencyjne. źródło: na podstawie Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 7, rys. 11, str. 216