ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 289
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки Российской ФедерацииФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образованияНациональный минерально-сырьевой университет «Горный»Кафедра общей и технической физики
РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮРАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫВопросы и задачи, содержащиеся в пособие, охватывают существенную часть курса физики твердого тела, входящего в спецкурсы физики: «физика конденсированного состояния» и «физические основы полупроводниковой электроники» и способствуют более глубокому усвоению теоретического материала данного раздела.Выполнение расчетно-графической работы предполагает достаточно большой объем самостоятельной работы студента.
При выполнении расчетно-графической работы (РГР) по физике твердого тела необходимо оформить отчет в печатном виде на листах формата А4 следующего содержания.1. Титульный лист – согласно правилам университета Горный.2. Теоретические основы работы:2.1. Явление, изучаемое в РГР.2.2. Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин, касающихся данной работы.3. Расчетная часть:3.1. Задание в соответствии с вариантом.3.2. Расчет с пояснениями.3.3. Графики.4. Анализ результатов. Заключение.При решении задачи необходимо:а) сопровождать используемые при решении законы, уравнения и соотношения, пояснениями, мотивирующими решение;б) представить результат в общем виде, т.е. преобразовать выражение для определяемой величины так, чтобы в него входили лишь буквенные обозначения величин, заданных в формулировке задания и необходимые физические константы;в) проверить размерность величин, полученных в результате решения;г) выполнить необходимые вычисления, представить результат в Международной системе единиц и сформулировать полный ответ в соответствии с вопросами задания.При построении графиков, указанных в задании, следует:— представить таблицы с данными для построения графиков;— указать аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить;— указать на осях координат физические величины и единицы их измерения.Анализ и выводы по результатам работы должны отражать суть изучаемого физического явления.К защите допускаются студенты, подготовившие отчёт в соответствии с требованиями по пунктам 1−4 и сдавшие его на проверку в установленные сроки. После проверки преподавателем содержания отчета, при наличии ошибок и недочетов, работа возвращается студенту на доработку. При соблюдении всех требований к оформлению отчета, правильном выполнении задания и решения соответствующей задачи студенту назначается аудиторная защита.
Для успешной защиты отчета необходимо изучить теоретический материал по данной теме, а также освоить математический аппарат, необходимый для решения задачи расчетно-графической работы. Во время защиты студент должен уметь ответить на вопросы преподавателя в полном объеме теоретического и методического содержания данной расчетно-графической работы, уметь самостоятельной вывести необходимые расчётные формулы, выполнить анализ полученных зависимостей и прокомментировать полученные результаты.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Рис. 1. Возникновение свободного электрона и дырки в кристалле полупроводника (а) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б); схема движения дырки в кристалле полупроводника (в).
В отсутствие структурных дефектов и при Т = 0 К четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в так называемых парноэлектронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных четырех атомов кристалла. При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании парноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами. Парноэлектронные связи показаны на рис. 1, а в виде двух параллельных линий, связывающих атомы, расположенные в соседних узлах кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов кристалла в создании ковалентных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях энергии валентной зоны (рис. 1, б). Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становится достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кристаллической решетки. Валентный электрон освобождается от связей и становится свободным (рис. 1, а
). Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме (рис. 1, б). Свободный электрон способен изменять свою энергию и перемещаться между узлами кристаллической решетки под воздействием электрического поля, т.е. участвовать в создании тока.Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так называемой дырки (рис. 1, а). Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который и приписывают дырке. На энергетической диаграмме (рис.1, б) образование дырки после перехода электрона в зону проводимости отождествляют с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, позволяющего электронам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами) изменять энергию под воздействием электрического поля, т.е. перемещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока. Фактическое перемещение валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля при их последовательном заполнении образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может быть заменено движением дырки между узлами кристаллической решетки в противоположном направлении. Действительно, валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку с приближением к ней. Дырка исчезает, и восстанавливается ковалентная связь у данного атома, но возникает новая дырка в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как движение дырки (рис.1, в).Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей заряда обусловливается различием в подвижностях свободных электронов и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уровням энергии.При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название термогенерации носителей заряда
физика
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛАМетодические указания к расчетно-графическим работам для студентов бакалавриата направлений подготовки 210100 и 140400САНКТ-ПЕТЕРБУРГ2015УДК 531/534 (073)ФИЗИКА. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА. Методические указания расчетно-графическим работам/ Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» / сост. Ю.И. Кузьмин, Н.С. Пщелко. СПб, 2015. —32 с. Приведены рекомендации к выполнению расчетно-графических работ, теоретические основы дисциплины, задания для работ, пример решения задачи, библиографический список. Предназначены для студентов направления подготовки бакалавриата 210100 «Электроника и наноэлектроника» по профилю «Промышленная Электроника» и 140400 «Электроэнергетика и электротехника» Национального минерально-сырьевого университета «Горный».Табл. 2. Ил. 6. Библ.: 8 назв.Научный редактор: проф. Н.С. Пщелко.| | © Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015 г. |
При выполнении расчетно-графической работы (РГР) по физике твердого тела необходимо оформить отчет в печатном виде на листах формата А4 следующего содержания.1. Титульный лист – согласно правилам университета Горный.2. Теоретические основы работы:2.1. Явление, изучаемое в РГР.2.2. Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин, касающихся данной работы.3. Расчетная часть:3.1. Задание в соответствии с вариантом.3.2. Расчет с пояснениями.3.3. Графики.4. Анализ результатов. Заключение.При решении задачи необходимо:а) сопровождать используемые при решении законы, уравнения и соотношения, пояснениями, мотивирующими решение;б) представить результат в общем виде, т.е. преобразовать выражение для определяемой величины так, чтобы в него входили лишь буквенные обозначения величин, заданных в формулировке задания и необходимые физические константы;в) проверить размерность величин, полученных в результате решения;г) выполнить необходимые вычисления, представить результат в Международной системе единиц и сформулировать полный ответ в соответствии с вопросами задания.При построении графиков, указанных в задании, следует:— представить таблицы с данными для построения графиков;— указать аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить;— указать на осях координат физические величины и единицы их измерения.Анализ и выводы по результатам работы должны отражать суть изучаемого физического явления.К защите допускаются студенты, подготовившие отчёт в соответствии с требованиями по пунктам 1−4 и сдавшие его на проверку в установленные сроки. После проверки преподавателем содержания отчета, при наличии ошибок и недочетов, работа возвращается студенту на доработку. При соблюдении всех требований к оформлению отчета, правильном выполнении задания и решения соответствующей задачи студенту назначается аудиторная защита.
Для успешной защиты отчета необходимо изучить теоретический материал по данной теме, а также освоить математический аппарат, необходимый для решения задачи расчетно-графической работы. Во время защиты студент должен уметь ответить на вопросы преподавателя в полном объеме теоретического и методического содержания данной расчетно-графической работы, уметь самостоятельной вывести необходимые расчётные формулы, выполнить анализ полученных зависимостей и прокомментировать полученные результаты.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
СОБСТВЕННЫЕ (БЕСПРИМЕСНЫЕ) ПОЛУПРОВОДНИКИ
К типичным полупроводникам относятся кремний ( ) и германий ( ). Эти элементы принадлежат к IV группе Периодической системы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четыре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия равна 0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ. Кристаллическая решетка этих полупроводников имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Двумерная (плоскостная) модель кристаллической решетки имеет вид, показанный на рис.1, а (на примере германия).Рис. 1. Возникновение свободного электрона и дырки в кристалле полупроводника (а) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б); схема движения дырки в кристалле полупроводника (в).
В отсутствие структурных дефектов и при Т = 0 К четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в так называемых парноэлектронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных четырех атомов кристалла. При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании парноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами. Парноэлектронные связи показаны на рис. 1, а в виде двух параллельных линий, связывающих атомы, расположенные в соседних узлах кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов кристалла в создании ковалентных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях энергии валентной зоны (рис. 1, б). Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становится достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кристаллической решетки. Валентный электрон освобождается от связей и становится свободным (рис. 1, а
). Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме (рис. 1, б). Свободный электрон способен изменять свою энергию и перемещаться между узлами кристаллической решетки под воздействием электрического поля, т.е. участвовать в создании тока.Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так называемой дырки (рис. 1, а). Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который и приписывают дырке. На энергетической диаграмме (рис.1, б) образование дырки после перехода электрона в зону проводимости отождествляют с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, позволяющего электронам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами) изменять энергию под воздействием электрического поля, т.е. перемещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока. Фактическое перемещение валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля при их последовательном заполнении образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может быть заменено движением дырки между узлами кристаллической решетки в противоположном направлении. Действительно, валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку с приближением к ней. Дырка исчезает, и восстанавливается ковалентная связь у данного атома, но возникает новая дырка в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как движение дырки (рис.1, в).Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей заряда обусловливается различием в подвижностях свободных электронов и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уровням энергии.При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название термогенерации носителей заряда