Файл: Реферат по дисциплине Физика твёрдого тела.docx

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Радиотехнической электроники

Реферат

по дисциплине «Физика твёрдого тела»

Тема: Работа в термодинамике и Потенциальны й барьер.

Содержание

1.ВВЕДЕНИ

2

---

1.Введение

Термодинамической работой выхода называется работа, которую необходимо совершить для удаления из кристалла электрона с энергией соответствующей уровню Ферми. При повышении температуры кинетическая энергия свободных электронов возрастает, часть электронов приобретает энергию и переходит на более высокие уровни энергии. Некоторые из них способны преодолеть потенциальный барьер, существующий на границе металла.

1.1.Работа в термодинамике

В термодинамике работа - это взаимодействие системы с внешними объектами, в результате чего изменяются параметры системы

Рассмотрим цилиндр с идеальным газом, который находится под подвижным поршнем. Пусть внешняя сила, действующая на поршень, перемещает его из состояния 1 в состояние 2



Работа силы равна  . Со стороны газа на поршень действуют сила, равная произведению давлению газа на поршень и площадь сечения поршня  . Подставив вторую формулу в первую, получим  .



Знак "-" в формуле означает, что при уменьшении объема (как в нашем примере,  ) работа внешних сил положительная. И наоборот, когда газ расширяется, работа внешней силы, удерживающей поршень, отрицательная.

Графическое определение работы

Строим график процесса p(V). Определяем на графике точки, которые соответствуют состоянию системы в 1 и 2 состояниях. Площадь фигуры под графиком - есть термодинамическая работа самой системы. Внешняя работа над системой равна работе системы, но с противоположным знаком 

---

Работа термодинамической системы при изобарном процессе



Работа термодинамической системы при изотермическом процессе

При изохорном процессе объем не изменяется, работа равна нулю A=0.

2.1.Термодинамическая работа выхода в полупроводниках

Рассмотрим зонную диаграмму полупроводников p- и n-типов.

На рисунке 1 использованы следующие обозначения:

ч - энергия электронного сродства (численно равная работе, необходимой для перевода электрона со дна зоны проводимости в вакуум без сообщения ему кинетической энергии );

- ширина запрещенной зоны;



- энергия середины запрещенной зоны;

- дно зоны проводимости;

- потолок валентной зоны;

- объемное положение уровня Ферми в полупроводнике n-типа;



- объемное положение уровня Ферми в полупроводнике p-типа;

- уровень вакуума (энергия электрона, находящегося в вакууме и не испытывающего никакого силового воздействия).


Рисунок 1 Зонная диаграмма полупроводников: а) n-типа; б) p-типа

Поскольку энергия Ферми отрицательна F < 0, то расстояние до уровня Ферми F, отсчитанное от уровня вакуума Е₀ = 0, будет положительным. Обозначим его Ф и назовем термодинамической работой выхода.

Здесь речь идет о внешней работе выхода - минимальной энергии, которую нужно затратить для перемещения электрона с уровня Ферми твердого тела в вакуум.

Получаем следующие выражения для термодинамической работы выхода в полупроводниках n-типа Ф_n и p-типа Ф_p:



(2)



(3)

(При рассмотрении предполагается, что уровень Ферми в собственном полупроводнике находится посередине запрещенной зоны).

Из соотношений (2) и (3) следует, что термодинамическая работа выхода из полупроводника 

---

p-типа всегда будет больше, чем из полупроводника n-типа, а следовательно, ток термоэлектронной эмиссии, обусловленный электронами, способными покидать поверхность тела вследствие теплового возбуждения, с полупроводника n-типа будет больше, чем с полупроводника p-типа.

Выражение для тока термоэлектронной эмиссии задается известным уравнением Ричардсона-Дашмена:



(4)



где - постоянная Ричардсона.

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обусловливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда.

3.1. Заключение

Будучи термодинамической величиной, работа выхода зависит от состояния тела (температуры, давления и т.п.) и условий проведения процесса, в частности от того, какие величины, характеризующие тело, остаются постоянными. Очевидно, впрочем, что различия в величине w, связанные с указанными обстоятельствами, несущественны по сравнению с абсолютной величиной работы выхода и явно не выходят за пределы типичных погрешностей ее экспериментального определения.

4.1. Список литература

1. Агеев, Е.П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах / Е.П. Агеев. - М.: УРСС, 2001. - 136 c.

2. Агеев, Е.П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах / Е.П. Агеев. - М.: Ленанд, 2019. - 136 c.

3. Базаров, И.П. Термодинамика: Учебник / И.П. Базаров. - СПб.: Лань, 2010. - 384 c.

4. Борщевский, А.Я. Физическая химия. Т. 2.: Статистическая термодинамика: Учебник / А.Я. Борщевский. - М.: Инфра-М, 2017. - 224 c.

5. Буданов, В.В. Химическая термодинамика / В.В. Буданов, А.И. Максимов. - М.: Академкнига, 2007. - 312 c.

6. Буданов, В.В. Химическая термодинамика: Учебное пособие / В.В. Буданов, А.И. Максимов. - СПб.: Лань, 2017. - 320 c.

---

1.2. ВВЕДЕНИЕ

Электроны проводимости свободно перемещаются по всему металлу, однако не могут выходить за его пределы. Их выходу наружу препятствуют силы, действующие у поверхности металла. Эти силы имеют электрическую природу и действуют в узкой области вблизи поверхности металла, которую называют потенциальным барьером.

В классической механике прохождение частицы через потенциальный барьер возможно только в том случае, если ее полная энергия E не меньше высоты U0 потенциального барьера. Если же частица обладает энергией меньшей, чем высота потенциального барьера, то она не только не пройдет сквозь барьер, но даже не проникнет в область барьера. Таким образом, потенциальный барьер в классическом представлении является как бы непроницаемой стенкой для частиц с энергией, меньшей высоты потенциального барьера.

1.2. Потенциальный барьер

В полупроводнике р-типа имеется некоторая концентрация акцепторов Nа, а также основных pp0 и неосновных np0 носителей. Ионизированные атомы акцепторов и основного вещества создают неподвижный отрицательный заряд, свободные электроны и дырки − соответственно подвижный отрицательный и положительный заряды. При этом



Аналогично полупроводник n-типа характеризуется концентрацией доноров Nд, основных nn0 и неосновных pn0 носителей. В нем также есть положительный и отрицательный объемные заряды, которые компенсируют друг друга:



Для определенности будем полагать, что Nд >> Nа. Это означает, что слой n − низкоомный, а слой р − высокоомный. Поскольку концентрация электронов в n-слое значительно превышает их концентрацию в р-слое, часть электронов диффундирует из слоя n в слой р. Это приведет к тому, что в n-слое возникают нескомпенсированные положительные заряды ионов доноров. С другой стороны, в р-слое вблизи границы окажутся избыточные электроны, которые будут рекомбинировать с дырками. Следовательно, в этой области уменьшится концентрация подвижных носителей и возникнут также нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторов.

---