Реферат

по физике

на тему:

«Полупроводники в физике и технике»

Еще совсем недавно электротехника применяла, а физика изучала лишь предельные по своим электрическим свойствам материалы: хорошо проводящие металлы или непроводящие ток изоляторы.

В начале XX в. удалось установить, что в металле ток переносится электронами, а ничтожный ток, наблюдаемый в изоляторах, имеет электролитический характер. Однако после первых успехов электронной теории металлов и ионной теории диэлектриков исследование натолкнулось на ряд трудностей, которые удалось разрешить только с помощью новой квантовой механики на протяжении последнего десятилетия.

Главнейшей трудностью в теории металлов были их тепловые свойства. С одной стороны, электроны свободно перемещаются в металле, перенося электрический ток, выравнивая температуру, создавая термоэлектродвижущие силы. Это значит, что в тепловом движении электроны участвуют как самостоятельные частицы, движущиеся среди атомов металла. Нагревая металл, нужно сообщить энергию не только его атомам, по и свободным электронам. Число их, судя по оптическим свойствам металлов, равно числу атомов. Электроны должны получить столько же тепловой энергии, сколько получил бы газ, состоящий из такого же числа молекул.

На нагревание одного грамм-атома твердого тела на 1 °С требуется около 6 кал; па нагревание грамм-атома газа — 3 кал. Естественно было бы ожидать, что на нагревание грамм-атома металла на 1 °С потребуется 9 кал в отличие от непроводящих тел, теплоемкость грамм-атома которых составляет 6 кал. В действительности, однако, теплоемкость металлов существенно не отличается от теплоемкости диэлектриков.

Выход из этих противоречий, как и из ряда других трудностей, был найден благодаря квантовой механике. Как в отдельном атоме электроны могут занимать только строго определенные квантовые состояния (чем и объясняется, например, появление в спектре газов резких спектральных линий), так и в целом кристалле существуют строго ограниченные квантовые состояния, в которых могут находиться электроны. Как в атоме, так и в кристалле не может быть двух электронов в одном и том же квантовом состоянии. Естественно, что прежде всего электронами заполняются состояния с наименьшей энергией. Подсчет показывает, что при обычных температурах, когда средняя энергия теплового движения атомов составляет около 0.03 эВ (1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон, пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 В), электроны занимают все квантовые состояния с энергиями от нуля до 5—10 В. Поэтому энергия теплового движения 0.03 эВ мало влияет на среднюю энергию электронов, хотя последние и находятся в тепловом равновесии с атомами металла.

Квантовая теория установила также, чем обусловлена разница между проводниками и изоляторами. В металлах число возможных квантовых состояний значительно больше, чем число электронов. Поэтому, когда в металле создается электрическое поле, электроны имеют возможность изменять направление своего движения, переходя в те квантовые состояния, в которых их скорость направлена в сторону действующей на них электрической силы. Электроны могут также получать от электрического поля работу, переходя в состояния с более высокой энергией и отдавая потом избыточную энергию металлу, — так происходит нагревание металла при прохождении тока.

Диэлектрики отличаются от металлов не меньшим числом электронов — их столько же, если не больше. ............