22 | 10 | 2018
Главное меню
Смотри
Статистика
Пользователи : 1
Статьи : 3770
Просмотры материалов : 8961444

Коллеги
Посетители
Рейтинг@Mail.ru
Советую
Online
  • [Bot]
  • [Mail.Ru]
  • [Yandex]
Сейчас на сайте:
  • 16 гостей
  • 3 роботов
Новые пользователи:
  • Administrator
Всего пользователей: 1
RSS
Подписка на новости
Все про электронику


Квантовая физика PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:41

Квантовая физика

Глава 2 - Твердотельный Теория устройства


"Я думаю , что можно с уверенностью сказать , что никто не понимает квантовую механику" .

Физик Ричард Фейнман

Для того, чтобы сказать, что изобретение полупроводниковых приборов была революция не будет преувеличением. Мало того, что это впечатляющее технологическое достижение, но оно проложило путь развития событий, которые неизгладимо изменяющих современное общество. Полупроводниковые устройства стало возможным миниатюрных электроники, включая компьютеры, некоторые виды медицинского диагностического и лечебного оборудования, а также популярных телекоммуникационных устройств, чтобы назвать несколько применений этой технологии.

Но за этой революцией в технологии стоит еще большая революция в общей науке: области квантовой физики. Без этого скачка в понимании мира природы, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых электронных устройств еще в стадии разработки) никогда бы не удалось. Квантовая физика невероятно сложная сфера науки. Эта глава лишь краткий обзор. Когда ученые калибра Фейнмана говорят, что "никто не понимает [его]", вы можете быть уверены, что это сложный вопрос. Без понимания основ квантовой физики, или, по крайней мере, понимание научных открытий, которые привели к ее формулировке, хотя, это невозможно понять, как и почему функции полупроводниковых электронных устройств. Большинство вводных электроники учебников я прочитал попытаться объяснить полупроводники с точки зрения "классической" физики, что приводит к большей путанице, чем понимания.

Многие из нас видели диаграммы атомов , которые выглядят как на рисунке ниже .




Резерфорда атом: отрицательные электроны на орбите небольшое положительное ядро.



Мельчайшие частицы материи называют протоны и нейтроны составляют центральную часть атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря присутствию протонов (нейтроны не имеют электрического заряда бы то ни было), в то время как балансирование отрицательный заряд атома проживает в орбитальных электронов. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонов так же, как планеты гравитационно притягиваются Солнцем, но орбиты стабильны из-за движения электронов. Мы обязаны эту популярную модель атома к работе Эрнеста Резерфорда, который около 1911 года экспериментально установлено, что положительные заряды атомов 'были сосредоточены в крохотном, плотного ядра, а не распределена равномерно по диаметру, как это было предложено более ранним исследователем , Джей-Джей Томпсон.

Эксперимент по рассеянию Резерфорда участие бомбардировки тонкой золотой фольги с положительно заряженных альфа - частиц , как показано на рисунке ниже . Студенты Молодые аспиранты Х. Гейгера и Э. Марсдена испытал неожиданные результаты. Несколько Альфа-частицы отклонялись под большими углами. Несколько Альфа - частицы были обратного рассеяния, откатные почти на 180 °. Большинство частиц, прошедших через золотую фольгу выпрямляется до недеформированного, указывая, что фольга была в основном пустое пространство. Тот факт, что несколько альфа-частицы испытывали большие прогибы указывали на наличие мизерную положительно заряженного ядра.




Резерфорд рассеяния: пучок альфа - частиц рассеивается на тонкой золотой фольги.

Хотя атомная модель Резерфорда составили экспериментальные данные лучше, чем Томпсона, он до сих пор не было совершенным. Дальнейшие попытки определение атомной структуры были предприняты, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома совсем немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, солнечной системы картина Резерфорда атома вкладывается себя в народном сознании до такой степени, что она продолжает существовать в некоторых областях исследования, даже если неуместны.

Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятой из популярного электронного учебника:

Орбитальные отрицательные электроны , поэтому привлекают к положительному ядра, что приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летают в ядро атома. Ответ заключается в том , что орбитальные электроны остаются в их стабильной орбите из - за двух равных , но противоположных сил. Центробежный внешняя сила , действующая на электроны , так как орбиты противодействует привлекательный внутренний сила (центростремительной) , пытаясь вытащить электронов к ядру из-за разноименных зарядов.

В соответствии с моделью Резерфорда, автор ставит электроны как твердые куски материи занимаются по круговым орбитам, их внутреннее притяжение к противоположно заряженного ядра уравновешивается их движения. Ссылка на "центробежной силы" является технически неверно (даже для орбитальных планет), но легко простили из - за своего популярного признания: на самом деле, не существует такого понятия , как сила , толкающей любое орбитальную тело от его центра орбиты. Это кажется, что путь, потому что инерция тела стремится сохранить его путешествия по прямой линии, и так как орбита является постоянным отклонение (ускорение) от прямолинейного перемещения, существует постоянная инерциальной оппозиции к любой силе привлекает тело к орбите центр (центростремительных), будь то сила тяжести, электростатическое притяжение, или даже напряжение механической связи.

Реальная проблема с этим объяснением, однако, идея электронов, движущихся по круговым орбитам, в первую очередь. Это проверяемый факт, что ускоряющие электрические заряды испускают электромагнитное излучение, и этот факт был известен еще во времена Резерфорда. Так как круговое движение является формой ускорения (орбитальный объект в постоянном ускорении от нормального, прямолинейного движения), электроны в орбитальном состоянии должно быть сбросив излучение как грязь из прядильного шины. Электроны , ускоренные вокруг круговые траектории в ускорителях частиц называется синхротронов , как известно, сделать это, и результат называется синхротронного излучения. Если электроны теряют энергию таким образом, их орбиты в конечном счете распадаются бы, в результате столкновений с положительно заряженным ядром. Тем не менее, это обычно не происходит в течение атомов. Действительно, электрон "Орбиты" удивительно стабильны в широком диапазоне условий.

Кроме того, эксперименты с «возбужденных» атомов показали, что электромагнитная энергия, излучаемая атомом происходит только при определенных, определенных частотах. Атомы, которые «возбуждаются» внешних воздействий, таких как свет, как известно, поглощают эту энергию и вернуть ее в виде электромагнитных волн определенной частоты, как камертон, который не звонит при фиксированном поле, независимо от того, как он ударил. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом разделен на составляющие его частоты (цвета) с помощью призмы, различные линии цвета появляются в спектре, картина спектральных линий, являющихся уникальными для данного элемента. Это явление обычно используется для идентификации атомных элементов, и даже измерить пропорции каждого элемента в соединении или химической смеси. В соответствии с солнечной системы атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как куски свободным от материи на орбиту в любом радиусе) и законы классической физики, возбужденные атомы должны возвращать энергию в течение практически безграничном диапазоне частот, а не избранных. Другими словами, если модель Резерфорда были правильными, то не было бы никакого "Камертон" эффект, и свет излучается спектр любого атома представляется в виде непрерывной полосы цветов, а не как несколько отдельных линий.




Бора атом водорода (с орбитами выполнены в масштабе) позволяет только электроны населяют дискретных орбиталей. Электроны падают с п = 3,4,5 или 6 п = 2 счета для серии Бальмера спектральных линий.

Новаторская исследователь по имени Нильса Бора пытались улучшить модель Резерфорда после изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 г. Попытка согласовать результаты других физиков (в первую очередь, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон имели определенное, конкретное количество энергии, и что их орбиты были квантуется таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как и мраморы фиксировали в круговых дорожек вокруг ядра , а не на свободно пасущихся спутников каждый ранее были воображаемыми быть. (Рисунок выше ) В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов, Бор ссылался на эти «орбит» как стационарными состояниями , чтобы избежать подразумевается , что они находились в движении.

Хотя амбициозная попытка Бора на вновь обрамляющая структуру атома с точки зрения, которые согласились ближе к экспериментальным результатам явилось важной вехой в физике, она не была завершена. Его математический анализ производится лучше прогнозов экспериментальных событий , чем анализов , относящихся к предыдущим моделям, но все еще существуют некоторые оставшиеся без ответа вопросы о том, почему электроны должны вести себя в таких странным образом. Утверждение, что существуют электроны в стационарных, квантованных состояний вокруг ядра приходится на экспериментальных данных лучше, чем модели Резерфорда, но он понятия не имел, что бы заставить электроны проявляются те специфические состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти из другого физика Луи де Бройля, примерно через десять лет спустя.

Де Бройль предположил, что электроны, фотоны (частицы света) проявляется как частицеподобные и волновые свойства. Основываясь на этом предложении, он предположил, что анализ орбитальных электронов с точки зрения волновой, а не точки зрения частиц может иметь больше смысла своей квантовой природы. Действительно, был достигнут еще один прорыв в понимании.




Строка вибрирует на резонансной частоте между двумя неподвижными точками образует стоячей волны.

Атом в соответствии с де Бройля состояла из электронов , существующих стоячих волн, явление , хорошо известный физикам в различных формах. В качестве щипковых музыкального инструмента (рис выше ) вибрирует на резонансной частоте, с "узлами" и "пучности" на стабильных позициях вдоль своей длины. Де Бройля предполагал электронов вокруг атомов , стоящих в виде волн , закрученный вокруг круга , как на рисунке ниже .




"Орбита" электрон , как стоячей волны вокруг ядра, (а) два цикла на орбите, (б) три цикла на орбите.

Электроны только может существовать в определенных, определенных «орбит» вокруг ядра, потому что те были единственными расстояния, где волновые концы будут соответствовать. В любом другом радиусе, волна должна разрушительно мешать себе и, таким образом, прекращает свое существование.

Гипотеза де Бройля дал как математическое обеспечение и удобную физическую аналогию для учета квантованных состояний электронов внутри атома, но его модель атома была еще не закончена. В течение нескольких лет, хотя, физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, построена на концепции де Бройля материи-волнового дуализма, чтобы создать более математически строгих моделей субатомных частиц.


Этот теоретический прогресс от примитивной стоячей модели волны де Бройля для матрицы Гейзенберга и модели дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовой механики, и она представила довольно шокирующим характеристику в мир субатомных частиц: признака вероятности, или неопределенности. Согласно новой квантовой теории, невозможно было определить точное положение и точный импульс частицы в то же время. Популярное объяснение этого "принципа неопределенности" в том, что это была ошибка измерения (т.е., пытаясь точно измерить положение электрона, то вмешиваться в ее импульс и, следовательно, не может знать, что это было до того, как измерение положения было принято, и вице- Versa). Поразительный вывод квантовой механики является то , что частицы на самом деле не имеют точных положений и импульсов, а баланс двух величин в таким образом , что их совокупная неопределенность никогда не умаляет ниже определенного минимального значения.

Эта форма «неопределенности» отношений существует и в других, чем квантовой механики областях. Как уже говорилось в главе «Сигналы переменного тока смешанного частоты" во втором томе этой серии книг, есть взаимоисключающие отношения между достоверностью данных во временной области формы сигнала, и его данные в частотной области. Проще говоря, тем точнее мы знаем его составной частоты (ями), тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:

Форма сигнала бесконечной длительности (бесконечное число циклов) могут быть проанализированы с абсолютной точностью, но тем меньше циклов , доступных на компьютер для анализа, менее точный анализ. , , Чем меньше раз , что волна циклов, тем меньше некоторая его частота. Принимая эту концепцию своего логического предела, короткого импульса-формы сигнала , который даже не завершить цикл- на самом деле не имеет частоту, а действует как бесконечный диапазон частот. Этот принцип является общим для всех волновых явлений на основе, а не только переменного напряжения и тока.

Для того, чтобы точно определить амплитуду сигнала переменного, мы должны попробовать его на очень узкий промежуток времени. Однако, делая это ограничивает наше представление о частоте волны. С другой стороны, чтобы определить частоту волну с большой точностью, мы должны попробовать его в течение многих циклов, а это значит, мы теряем представление о его амплитуды в любой данный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенной амплитуды и общую частоту любой волны с неограниченной точностью. Незнакомец все же, эта неопределенность гораздо больше, чем неточностей наблюдателя; он находится в самой природе волны. Это не так , хотя это было бы возможно, принимая во внимание собственно технологии, чтобы получить точные измерения как мгновенной амплитуды и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может иметь как точную, мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.

Минимальная неопределенность положения частица и импульса выражается Гейзенберга и Шредингера не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство материи волны двойственной природы частицы. Электроны, поэтому, на самом деле не существуют в своих «орбит» , как точно определенных битов материи, или даже , как точно определены форм волны, а скорее как "облака" -The технический термин является волновую -of распределения вероятностей, как если бы каждый электрон были " спрэд "или" размазывается "по целому ряду положений и импульсов.


Этот радикальный вид электронов неточным облака на первый взгляд противоречит оригинальный принцип квантованных электронных состояний: что электроны существуют в виде дискретных, определенных «орбит» вокруг атомных ядер. Это было, в конце концов, это открытие, которое привело к образованию квантовой теории, чтобы объяснить это. Как странно, кажется, что теория для объяснения дискретного поведения электронов в конце концов заявляет, что электроны существуют в виде «облаков», а не в виде отдельных кусков материи. Тем не менее, квантованный поведение электронов не зависит от электронов , имеющих определенные координаты и импульс значения, а на другие свойства , которые получили название квантовых чисел. В сущности, квантовая механика обходится без распространенное понятий абсолютного положения и абсолютного импульса, и заменяет их абсолютным понятиям своего рода, не имеющего аналогов в общем опыте.




Несмотря на то, электроны , как известно, существуют в эфирном, "облаку" форм распределенной вероятности , а не в виде отдельных кусков материи, эти «облака» имеют другие характеристики , которые являются дискретными. Любой электрон в атоме можно описать с помощью четырех численных мер (ранее упомянутых квантовых чисел), называется главным, угловой момент, магнитные, и числа Спин. Ниже приведен краткий обзор каждого из значений этих чисел ":

Главного квантового числа: Символом буквой п, это число описывает оболочку , что электрон постоянно находится в электрон "оболочки" представляет собой область пространства вокруг ядра атома, что электроны разрешено существовать в, что соответствует стабильной "стоячей волны. "узоры де Бройля и Бора. Электроны могут «перескочить» от оболочки к оболочке, но не может существовать между областями оболочки.

Принцип квантового числа должно быть положительное целое число (целое число, большее или равное 1). Другими словами, принцип квантовое число для электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые значения не прибыл в произвольно, а через экспериментальные доказательства света спектров: различающиеся частоты (цвета) света , испускаемого возбужденными атомами водорода следовать последовательности математически зависят от конкретных целочисленных значений , как показано на рисунке предыдущей .

Каждая оболочка имеет способность удерживать несколько электронов. Аналогия для электронных оболочек концентрических рядов сидений амфитеатром. Подобно тому , как человек сидит в амфитеатре должны выбрать строку , чтобы сидеть в (один не может сидеть между рядами), электроны должны "выбрать" особую оболочку "сидеть". Как в амфитеатре строк, крайние оболочки содержат больше электронов , чем внутренние оболочки. Кроме того, электроны стремятся искать самую низкую доступную оболочку, так как люди в амфитеатре искать ближайший место в центре сцены. Чем выше число оболочка, тем больше энергия электронов в нем.

Максимальное число электронов , что любая оболочка может удерживаемый описывается уравнением 2n 2, где "п" является принцип квантового числа. Таким образом, первая оболочка (п = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (п = 2) 8 электронов, а третья оболочка (п = 3) 18 электронов. (Рисунок ниже )




Главного квантового числа п и максимальное число электронов в оболочке , как предсказано по 2 (п 2), и наблюдали. Орбитали не в масштабе.

Электронных оболочек в атоме ранее обозначались буквой, а не числом. Первая оболочка (п = 1) метили К, второй оболочки (N = 2) L, третья оболочка (п = 3) М, четвертую оболочку (N = 4) N, пятая оболочка (п = 5) О, шестой оболочка (п = 6) Р, а седьмой оболочка (п = 7) В:


Angular Momentum Quantum Number: Оболочка, состоит из подоболочек. Можно было бы быть склонны думать о подоболочек как простых подразделений оболочек, а полосы деления дороги. Подоболочки намного чужой. Подоболочки являются областями пространства , где электрон «облака» разрешено существовать, и различные подоболочках на самом деле имеют разные формы. Первый подоболочка форму шара (рис ниже (s)) , которая имеет смысл , когда визуализируется в виде облака электронов вокруг атомного ядра в трех измерениях.

Второй подоболочка, однако, напоминает гантель, состоящий из двух "лепестков", соединенных друг с другом в одной точке вблизи центра атома. ( На рисунке ниже (р))

Третий подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти подоболочки формы напоминают графические изображением силы сигнала радио антенны, с выпуклыми областей лопастевидными формы, простирающихся от антенны в различных направлениях. (Рисунок ниже (d))




Орбитали: (s) Три раза симметрии. (р) Показаны: р х, один из трех возможных ориентаций (р х, р у, р г), об их соответствующих осей. (d) Показаны: d х 2 - у 2 аналогична г ху, г, д уг XZ. Показаны: d Z 2. Возможные D-орбитальное ориентации: пять.

Допустимые угловые импульса квантовые числа являются положительными целыми числами, как главными квантовыми числами, но и включать в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов символизируется буквой л. Количество подоболочек в оболочке равно главным квантовым числом оболочки. Таким образом, первая оболочка (п = 1) имеет один подоболочка, пронумерованных 0; вторая оболочка (п = 2) имеет два подоболочки, пронумерованных 0 и 1; третья оболочка (п = 3) имеет три подоболочки, пронумерованных 0, 1 и 2.



Старше соглашение для описания подоболочка используемых букв, а не цифр. В этих обозначениях первая Подоболочка (L = 0) обозначали S, вторая Подоболочка (L = 1) , обозначается р, третий Подоболочка (L = 2) обозначается d, а четвертый Подоболочка (L = 3) обозначается е. Письма приходят из слов острых, главный (не следует путать с главным квантовым числом, п), диффузной и фундаментальной. Вы будете видеть эту нотационного конвенции во многих периодических таблиц, используемых для обозначения электронную конфигурацию атомов самого внешнего », или валентности, раковин. (Рисунок ниже )




(а) Бор представление атома серебра, (б) подоболочки представление Ag с разделением оболочек в подоболочки (угловое квантовое число л). Эта диаграмма не подразумевает ничего о фактическом положении электронов, но представляет собой энергетические уровни.

Магнитного квантового числа: Магнитное квантовое число для электрона классифицирует которых ориентация направлена его подоболочка форма. В "лепестка" для подоболочек указать в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называют орбиталей. Для первого субоболочке (с; л = 0), которая напоминает сферу указывая ни в «направлении», так что есть только одна орбиталь. Для второго (р, л = 1) подоболочки в каждой оболочки, которая напоминает гантели точки в трех возможных направлениях. Подумайте о трех гантелей, пересекающимися в начале координат, каждая ориентирована вдоль другой оси в трехосной пространстве координат.

Допустимые числовые значения для этого квантового числа состоят из целых чисел в диапазоне от -l до л, и символизируется м л в атомной физике и л г в ядерной физике. Для того, чтобы вычислить количество орбиталей в любой подоболочки, удвоить количество подоболочку и добавить 1, (2 · L + 1). Например, первый Подоболочка (L = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь, пронумерованных от 0; второй Подоболочка (L = 1), в любой оболочке содержит три орбитали, пронумерованных -1, 0, и 1; третий подоболочка (л = 2) содержит пять орбиталей, пронумерованных -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.

Как и главными квантовыми числами, магнитное квантовое число возникли непосредственно из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированного газа в магнитном поле, отсюда и название "магнитное" квантовым числом.


Спиновое квантовое число: Как магнитного квантового числа, это свойство атомных электронов был обнаружен в ходе экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показал , что каждая линия была на самом деле пара очень близко расположенных линий, и это так называемая тонкая структура была высказана гипотеза , результатом каждого электрона "спиннинг" на оси , как будто планеты. Электроны с различными "раскручивает" дало бы отклониться немного разные частоты света при возбуждении. Название "спин" был присвоен этого квантового числа. Понятие вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи лучше подходит к (неправильному) вид электронов как дискретные куски материи, а не как «облаков»; но название осталось.

Спин квантовые числа символизируется м с в атомной физике и х г в ядерной физике. Для каждой орбитальной в каждой подоболочки в каждой оболочки, может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.


Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядочение электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принцип запрета Паули, утверждает , что никакие два электрона в том же атоме не могут занимать те же квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме обладает уникальным набором квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать любую заданную орбитальную, подоболочку и оболочки.

Здесь показано расположение электронов для атома водорода:

С одного протона в ядре, он принимает один электрон электростатическое баланса атома (положительный электрический заряд протона в точности уравновешивается отрицательным электрическим зарядом электрона). Это один электрон находится в нижней оболочке (п = 1), первый Подоболочка (L = 0), в единственной орбитали (пространственная ориентация) этого Подоболочка (м л = 0), со значением спина 1/2. Общий метод описания этой организации, перечисляя электронов в соответствии с их оболочек и подоболочки в конвенции называется спектроскопического обозначений. В этих обозначениях число оболочки показан как целое, подоболочку как буквы (с, р, д, е), а общее число электронов в подоболочки (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород, с его одинокий электрон , находящийся в базовом уровне, описывается как 1s 1.

Переходя к следующему атому (в порядке убывания атомного номера), у нас есть элемент гелий:

Атом гелия имеет два протона в ядре, и это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона-один со спином = 1/2, а другой со спином = -1 / 2- вместиться в одну орбитальную, электронная конфигурация гелия не требует никаких дополнительных подоболочки или оболочек провести второй электрон.

Тем не менее, атом требует трех или более электронов потребует дополнительных подоболочки , чтобы вместить все электроны, так как только два электрона будет вписываться в нижней оболочке (п = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности возрастания атомных номеров, лития:

Атом лития использует часть (n = 2) мощности L оболочки. Эта оболочка на самом деле имеет общую мощность восьми электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если рассматривать организацию атома с полностью заполненной оболочки L, мы увидим, как все комбинации подоболочки, орбиталей и спинами заняты электронами:

Часто, когда спектроскопические обозначения дается для атома, любые снаряды, которые полностью заполнены опущены, и незаполненный, или высшего уровня заполнения оболочки, обозначается. Например, элемент неон (показано на предыдущем рисунке), который имеет два полностью заполненных оболочек, могут быть спектроскопически описать просто как 2p 6 , а не 1s 2 2s 2 2p 6. Литий, с ее K оболочки полностью заполненной и одинокого электрона в оболочке L, можно описать просто как 2s 1 , а не 1s 2 2s 1.

Бездействие полностью заполнены, более низкого уровня снарядов не только для удобства записи. Она также иллюстрирует основной принцип химии: что химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. Оба водорода и лития имеют один электрон в своих внешних оболочек (1s 1 и 2s 1, соответственно), что дает эти два элемента некоторые схожие свойства. Оба обладают высокой реакционной способностью, и реактивная во многом таким же образом (приклеивания к аналогичным элементам в аналогичных режимах). Не столь важно, что литий имеет полностью заполненную оболочку K-под его почти вакантную L оболочки: незаполненной L оболочка является оболочкой, которая определяет его химическое поведение.


Элементы , имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородный, и отличаются почти полной непривязанности реактивности с другими элементами. Эти элементы , используемые для быть классифицированы как инертные, когда считалось , что это были совершенно нереакционноспособным, но в настоящее время известны , с образованием соединений с другими элементами в конкретных условиях.

Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в их внешней оболочке (ами), проявляют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев организовал различные элементы в таблице соответственно. Такая таблица называется периодической таблицы элементов, и современные таблицы следовать этой общей форме

Рисунок ниже .




Периодическая таблица химических элементов.

Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым разработать периодическую таблицу элементов. Хотя Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и подготовила таблицу, которая не была столь же полезно, как современных периодических таблиц, его развитие выступает как отличный пример научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в зависимости от атомной массы), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписаться в эту стройную схему. Когда он обнаружил, "пустые" места в таблице, он следовал логике существующего порядка и выдвинул гипотезу о существовании ранее открытых элементов. Последующее открытие этих элементов предоставлено научной легитимности гипотезы Менделеева, дальнейшее будущие открытия, и приводит к форме периодической таблицы мы используем сегодня.

Это, как наука должна работать: гипотезы следуют их логические выводы и приняты, изменены или отклонены как определяется соглашением экспериментальных данных к этим выводам. Любой дурак может сформулировать гипотезу после-фактум объяснить существующие экспериментальные данные, и многие из них. Что отличает научную гипотезу отдельно от постфактум спекуляций является предсказание будущих экспериментальных данных еще несобранные, а также возможность опровержением в результате этих данных. Чтобы смело следовать гипотезе до логического конца (ов) и осмелится предсказать результаты будущих экспериментов не является догматическим прыжок веры, а скорее публичное испытание этой гипотезы, открытой, чтобы бросить вызов от любого, способного производить противоречивые данные. Другими словами, научные гипотезы всегда "рискованной" из-за требования, чтобы предсказать результаты экспериментов еще не проводились, и поэтому восприимчивы к опровержению, если эксперименты не получится, как прогнозировалось. Таким образом, если гипотеза успешно предсказывает результаты повторных экспериментов, его ложное опровергнуто.

Квантовая механика, сначала в качестве гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании экспериментальных результатов, следовательно, высокую степень научной уверенности помещается в нем. Многие ученые имеют основания полагать , что она является неполной теорией, хотя, как ее предсказания верны еще на микро физических масштабах , чем на макро размеров кроскопических, но тем не менее это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействий частиц и атомов.

Как вы уже видели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение для описания и предсказания многих различных явлений. В следующем разделе мы увидим его значение в электропроводности твердых веществ, в том числе полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической основы электронов существующих в виде отдельных кусков материи, кружась вокруг атомных ядер, как миниатюрных спутников. Именно тогда, когда электроны рассматриваются как «волновых функций», существующих в определенных, дискретных состояний, что регулярное и периодическое поведение вещества можно объяснить.

  • ОБЗОР:
  • Электроны в атомах существуют в "облаках" распределенной вероятности, а не в виде отдельных кусков материи, вращающихся вокруг ядра, как крошечные спутники, как показывают общие иллюстрации атомов.
  • Отдельные электроны вокруг атомного ядра искать уникальные "состояния" , описывается четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом, известный как оболочка; Момент количества движения квантовое число, известное как субоболочке; магнитного квантового числа, описывающие орбитальное (ориентацию подоболочку); и спинового квантового числа, или просто спина. Эти состояния квантуются, а это означает, что ни один "в-между" условиях не существует для электрона, кроме тех состояний, которые вписываются в схему квантового нумерации.
  • Главного квантового числа (п) описывает базовый уровень или оболочку , что электрон находится. Чем больше это число, тем больший радиус электрона облако от ядра атома, и тем больше , что энергия электрона. Основные квантовые числа целые числа (положительные целые числа).
  • Angular Momentum квантового числа (л) описывает форму электронного облака в пределах определенной оболочки или уровне, и часто известен как "субоболочке." Есть так много подоболочках (электронное облачко формы) в любой оболочке в качестве принципа , что оболочки квантовое число. Углового момента квантовые числа являются положительными целыми числами, начиная с нуля и заканчивая один меньше, чем главного квантового числа (п-1).
  • Магнитного квантового числа л) описывает , какой ориентации Подоболочка (электронное облако форма) имеет. Подоболочки можно считать , как много различных ориентаций , как 2-кратного числа подоболочки (L) плюс 1, (2L + 1) (например , для л = 1, мл = -1, 0, 1) и каждой уникальной ориентации называется орбитальный. Эти числа представляют собой целые числа в диапазоне от отрицательного значения числа подоболочки (L) через 0 до положительного значения числа подоболочки.
  • Спиновое квантовое число s) описывает еще одно свойство электрона, и может быть значением +1/2 или -1/2.
  • Исключение Паули Принцип говорит , что никакие два электрона в атоме не может делиться точно такой же набор квантовых чисел. Таким образом, не более двух электронов могут занимать каждую орбиталь (спин = 1/2 и спина = -1 / 2), 2L + 1 орбитали в каждой подоболочки, и п подоболочках в каждой оболочке, и не более.
  • Спектроскопические обозначения условность для обозначения электронную конфигурацию атома. Корпуса представлены в виде целых чисел, а затем подоболочка буквами (с, р, д, е), с помощью верхнего индекса числа на общую число электронов, находящихся в каждом соответствующем субоболочке.
  • химическое поведение атома является исключительно определяется электронами в незаполненных оболочек. снаряды низкого уровня, которые полностью заполнены имеют мало или вообще не оказывает влияния на химической связи характеристик элементов.
  • Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью нереакционноспособными, и называются благородными (ранее известный как инертными).
 
Валентность и кристаллическая структура PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:43

Валентность и кристаллическая структура

Глава 2 - Твердотельный Теория устройства


Valence: электроны во внешней оболочке, наиболее или валентной оболочки, известны как валентных электронов. Эти валентные электроны ответственны за химические свойства химических элементов. Именно эти электроны, которые участвуют в химических реакциях с другими элементами. Более упрощены правила химии применимы к простых реакций является то, что атомы пытаются сформировать полную внешнюю оболочку 8 электронов (два для L оболочки). Атомы могут отдать несколько электронов, чтобы обнаружить стоящую полную оболочку. Атомы могут принимать несколько электронов для завершения оболочки. Эти два процесса образуют ионы из атомов. Атомы могут даже разделить электронов между атомами в попытке завершить внешнюю оболочку. Этот процесс образует молекулярные связи. То есть атомы ассоциировать с образованием молекулы.

Для элементов I Пример группы: Li, Na, K, Cu, Ag, Au и имеют один валентный электрон. (Рисунок ниже ) Эти элементы имеют сходные химические свойства. Эти атомы легко отдать один электрон, чтобы взаимодействовать с другими элементами. Способность легко отдавать электрон делает эти элементы отличные проводники.




Периодическая таблица элементов группы IA: Li, Na, К, а также элементы группы IB: Cu, Ag, Au и один электрон на внешней, или валентности, оболочка, которая легко пожертвовали. Внутренние электроны оболочки: при п = 1, 2, 3, 4; 2n 2 = 2, 8, 18, 32.

Группа VIIA элементы: Fl, Cl, Br, и я все имеют 7 электронов во внешней оболочке. Эти элементы легко принимать электрон, чтобы заполнить внешнюю оболочку с полным 8 электронов. (Рисунок ниже ) Если эти элементы принимают электрон, отрицательный ион образуется из нейтрального атома. Эти элементы, которые не дают электроны являются изоляторами.




Периодическая таблица группы VIIA элементы: F, Cl, Br, и я с 7 валентных электронов с готовностью принимают электрон в реакции с другими элементами.

Например, атом Cl принимает электрон от атома Na , чтобы стать Cl - ион , как показано на рисунке ниже . Иона является заряженная частица , образующаяся из атома либо жертвуя или принимать электрон. Поскольку атом Na отдает электрон, становится ион Na +. Это, как Na и Cl атомы объединены с образованием NaCl, поваренная соль, которая на самом деле Na + , Cl -, пара ионов. Na + и Cl - проведение противоположные заряды, притягиваются друг друга.




Нейтральный атом натрия отдает электрон в нейтральный атом хлора , образуя Na + и Cl - ионы.

Хлорид натрия кристаллизуется в кубической структуре , показанной на рисунке ниже . Эта модель не в масштабе, чтобы показать трехмерную структуру. В Na + Cl - ионы фактически упакованы похожи на слои уложены мраморов. Легко обращается кубической кристаллической структурой показывает, что твердый кристалл может содержать заряженных частиц.

Группа VIIIA элементы: He, Ne, Ar, Kr, Xe все имеют 8 электронов в валентной оболочке. (Рисунок ниже) То есть, валентной оболочки завершения смысл эти элементы ни пожертвовать, ни принимать электроны. Они также не легко принимать участие в химических реакциях, поскольку элементы группа VIIIa не легко комбинировать с другими элементами. В последние годы химики вынуждены Xe и Kr, чтобы сформировать несколько соединений, однако для целей нашего обсуждения это не применимо. Эти элементы являются хорошими диэлектриками и являются газами при комнатной температуре.




Группа VIIIA элементы: He, Ne, Ar, Kr, Xe в значительной степени нереакционноспособен поскольку валентной оболочки завершена ..

Элементы группы IVA: C, Si, Ge, имеющие 4 электрона в валентной оболочке , как показано на рисунке ниже форме соединений путем обмена электронами с другими элементами без образования ионов. Этот общий электронный склеивание известен как образование ковалентной связи. Обратите внимание, что атом центр (а остальные по расширению) завершила свою валентную оболочку путем обмена электронами. Обратите внимание, что эта цифра является 2-d представление связи, которая на самом деле 3-d. Именно эта группа, IVA, что мы заинтересованы в том своими полупроводниковыми свойствами.




(а) IVA группы элементов: C, Si, Ge , имеющий 4 электрона в валентной оболочке, (б) завершить валентной оболочки путем обмена электронами с другими элементами.

Кристаллическая структура: Большинство неорганических веществ образуют их атомов (или ионов) в упорядоченный массив известный как кристалл. Внешние электронные облака атомов взаимодействуют в упорядоченном виде. Даже металлы состоят из кристаллов на микроскопическом уровне. Если металлический образец дается оптический полируют, а затем протравить кислотой, микроскопическая структура микрокристаллической показывает , как показано на рисунке ниже . Кроме того, можно приобрести, что требует значительных затрат, металлических монокристаллических образцов от специализированных поставщиков. Полировка и травление такого образца не раскрывает никакой структуры микрокристаллическую. Практически все промышленные металлы поликристаллических. Большинство современных полупроводниками, с другой стороны, являются монокристаллические устройства. Мы в первую очередь заинтересованы в монокристаллических структур.




(а) металлического образца, (б) полированный, (с) протравить кислотой , чтобы показать микрокристаллическую структуру.

Многие металлы являются мягкими и легко деформируются различными методами обработки металлов. Микрокристаллы деформируются в металлообработке. Кроме того, валентные электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке, и от кристалла к кристаллу. Валентные электроны не принадлежат ни к одному конкретному атому, но всех атомов.

Жесткая структура кристалла на рисунке ниже , состоит из регулярного повторяющегося узора положительных ионов Na + и отрицательных ионов Cl. Атомы Na и Cl образуют Na + и Cl - ионов путем переноса электрона от Na до Cl, без свободных электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке, разница по сравнению с металлом. Не являются ионы свободно. Ионы фиксируются на месте в пределах кристаллической структуры. Несмотря на то, что ионы могут свободно перемещаться, если кристалл NaCl растворяют в воде. Однако, кристалл больше не существует. Регулярное, повторяя структуру ушла. Испарением воды месторождений Na + и Cl - ионов в виде новых кристаллов , как противоположно заряженных ионов , притягиваются друг к другу. Ионные материалы образуют кристаллические структуры из-за сильного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.




NaCl , кристалл , имеющий кубическую структуру.

Полупроводники в группе 14 (ранее часть группы IV) образуют четырехгранный рисунок скрепления с использованием s- и р-орбитальных электронов об атоме, обмена электронной пары связей с четырьмя соседними атомами. (Рисунок ниже (а)).

Группа 14 элементов имеют четыре внешних электрона: два в сферическом с-орбитальных и два в р-орбиталей. Одним из р-орбиталей является незанятым. Три р-орбитали гибридизуются с S-орбитали, образуя четыре SP 3 молекулярных орбиталей. Эти четыре электронные облака отталкиваются друг от друга , чтобы равноудаленные четырехгранный расстояние около атома Si, привлеченные положительного ядра , как показано на рисунке ниже .




Один s-орбитали и три р-орбитали электронов гибридизуются, образуя четыре SP 3 молекулярных орбиталей.

Каждый атом полупроводника, Si, Ge, или С (алмаз) химически связан с четырьмя другими атомами ковалентными связями, общими электронными связями. Два электрона могут совместно использовать орбитальную если каждая имеют противоположные спина квантовые числа. Таким образом, неспаренный электрон может делиться с орбитальным электрона от другого атома. Это соответствует перекрытием Рисунок ниже (а)
электронных облаков, или связи.

На рисунке ниже (б) является одной четверти объема элементарной кристаллической структуры алмаза ячейки , показанной на

Рисунок ниже в начале координат. Облигации особенно сильны в алмазе, снижение прочности снижается группа IV кремния и германия. Кремний и германий и образуют кристаллы со структурой алмаза.




(а) тетраэдра связывание атома Si. (б) приводит к 1/4 кубической элементарной ячейки

Блок алмаза клетка является основным строительным блоком кристалл. На рисунке ниже показаны четыре атома (темный) связан с четырьмя другими в пределах объема клетки. Это эквивалентно размещению одного из

На рисунке выше (б) в начале координат

На рисунке ниже , а затем помещая три больше на смежных граней , чтобы заполнить полный куб.

Шесть атомов приходится на середину каждой из шести граней куба, показывая две связи. Остальные две связи на соседние кубы были опущены для ясности. Из восьми углов куба, четыре атома связь с атомом внутри куба. Где остальные четыре атома связаны? Остальные четыре связь с соседними кубами кристалла. Имейте в виду, что даже несмотря на четыре атома углу не показывают никаких связей в кубе, все атомы в кристалле связаны в одну гигантскую молекулу. Полупроводниковый кристалл строится из копий этой элементарной ячейки.




Si, Ge и С (алмаз) формы с чередованием гранецентрированной куба.

Кристалл эффективно одну молекулу. Атом ковалентные связи с четырьмя другими, которые в свою очередь облигации до четырех других, и так далее. Кристаллическая решетка является относительно жесткой сопротивление деформации. Лишь немногие электроны освобождаться для проводимости о кристалле. Свойство полупроводников является то, что когда-то электрон освобождается, положительно заряженная пустое пространство развивается что также способствует проведению.

  • ОБЗОР
  • Атомы попытаться сформировать полную внешнюю, валентность, оболочка 8-электронов (2-электронов для внутренней оболочки). Атомы могут пожертвовать несколько электронов, чтобы обнаружить стоящую оболочку 8, принять несколько электронов для завершения оболочки, или доли электронов для завершения оболочки.
  • Атомы часто образуют упорядоченные массивы ионов или атомов в жесткой конструкции, известной как кристалл.
  • Нейтральный атом может образовывать положительный ион, жертвуя электрон.
  • Нейтральный атом может образовывать отрицательный ион, принимая электрон
  • В группы IVA полупроводников: C, Si, Ge кристаллизуются в структуре алмаза. Каждый атом в кристалле является частью гигантской молекулы, склеивание с четырьмя другими атомами.
  • Большинство полупроводниковых приборов изготавливаются из монокристаллов.
 
Теория твердого тела PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:44


Квантовая физика описывает состояния электронов в атоме по схеме четырехкратным квантовых чисел. Квантовые числа описывают допустимые состояния электронов можно считать , в атоме. Чтобы использовать аналогию с амфитеатром, квантовые числа описывают, сколько строк и наличии мест. Отдельные электроны могут быть описаны с помощью сочетания квантовых чисел, как зритель в амфитеатре, назначенного конкретной строки и сиденья.

Как зрители в амфитеатре перемещение между сиденьями и рядами, электроны могут изменять свои статусы, учитывая наличие свободных мест для них, чтобы соответствовать и доступной энергии. Так как уровень оболочки тесно связана с количеством энергии, которое обладает электрон, «перескакивает» между оболочкой (и даже подоболочки) уровнях необходима передача энергии. Если электрон, чтобы перейти в оболочку высшего порядка, он требует, чтобы дополнительная энергия отдается электрона от внешнего источника. Используя аналогию амфитеатра, требуется увеличение энергии для человека, чтобы перейти в более высокий ряд сидений, потому что человек должен подняться на большую высоту против силы тяжести. С другой стороны, электрон "прыгает" в нижней части корпуса отдает часть своей энергии, как человек прыгает вниз в нижнем ряду сидений, затраченной энергии, проявляющейся в виде тепла и звука.

Не все "перескакивает" равны. Leaps между различными оболочками потребует существенного обмена энергией, но прыжки между подоболочки или между орбиталей требуют меньших обменов.

Когда атомы соединяются с образованием веществ, внешний оболочки, подоболочки, и орбиталей сливаются, обеспечивая большее количество доступных уровней энергии для электронов предположить. Когда большое число атомов близки друг к другу, эти доступные уровни энергии образуют почти непрерывную полосу , в котором электроны могут перемещаться , как показано на рисунке ниже




Электронная перекрытие зон в металлических элементах.

Именно ширина этих полос и их близость к существующим электронов, который определяет, как мобильные те электроны будут при воздействии электрического поля. В металлических веществ, пустые полосы перекрываются с полосами, содержащими электронов, а это означает, что электроны одного атома может перейти к тому, что, как правило, быть государством высшего уровня с небольшим или без дополнительной энергии, сообщаемого. Таким образом, внешние электроны называются "свободными" и готов двигаться в мановению электрического поля.



Полоса перекрытия не будет происходить во всех веществ, независимо от того, сколько атомов близки друг к другу. В некоторых веществ, существенный разрыв между самыми высокими Полосу , содержащую электроны (так называемые валентной зоны) и следующую полосу, который пуст (так называемая зона проводимости). Смотрите рисунок ниже . В результате валентные электроны "связан" с их атомов и не может стать мобильный внутри вещества без значительного количества энергии, переданной. Эти вещества являются диэлектриками.




Электронно разделение полосы в изолирующих веществ.

Материалы , которые попадают в категорию полупроводников имеют узкую щель между валентной зоной и зоной проводимости. Таким образом, количество энергии, необходимой для мотивации валентного электрона в зону проводимости, где он становится мобильным весьма скромными. (Рисунок ниже )




Электронное разделение полосы в полупроводниковых веществ, (а) множество людей полупроводниковых близких атомов до сих пор приводит к значительной ширины запрещенной зоны, (б) множество людей близких атомов металла для справки.

При низких температурах, мало тепловой энергии можно нажать валентных электронов через эту щель, и полупроводниковая материал действует более как изолятор. При более высоких температурах, тем не менее, окружающий тепловой энергии становится достаточно, чтобы заставить электроны через зазор, и этот материал будет увеличивать проводимость электричества.

Трудно предсказать, проводящие свойства вещества, изучая электронные конфигурации его атомов. Несмотря на то, лучших металлических проводников электричества (серебро, медь и золото) имеют внешние s подоболочек с одного электрона, зависимость между проводимостью и числа валентных электронов не обязательно соответствует:

Конфигурации зонных электронов, полученные соединения различных элементов с трудом поддается ассоциации с электронными конфигурациями составляющих его элементов.

  • ОБЗОР:
  • Энергия, необходимая для удаления электрона из валентной зоны в более незанятой полосе, в зоне проводимости. Требуется больше энергии для перемещения между оболочками, менее между подоболочек.
  • Так как валентные зоны и зоны проводимости перекрываются в металлах, мало энергии удаляет электрон. Металлы являются отличными проводниками.
  • Большой разрыв между валентной зоной и зоной проводимости изолятора требует высокой энергии для удаления электрона. Таким образом, изоляторы не проводят.
  • Полупроводники имеют малую неперекрывающийся зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Чистые полупроводники не являются ни хорошими изоляторами, ни проводниками. Полупроводники полупроводниковая.
 
Электроны и "дырки '' PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:45

Электроны и "дырки ''

Глава 2 - Твердотельный Теория устройства


Чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами, хотя и не так хорошо, как истинный изолятор, как стекло. Для того, чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях собственного полупроводника (чистый нелегированный полупроводник) не должны иметь более одного атома примеси в 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично тому, зерно соли примеси в железнодорожном вагоне сахара. Неочищенные или грязные полупроводники значительно более проводящими, хотя и не так хорошо, как металлы. Почему это может быть? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы должны смотреть на электронную структуру таких материалов на рисунке ниже .

На рисунке ниже (а) показаны четыре электрона в валентной оболочке полупроводника образовывать ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это сплющенные, легче рисовать, версия
Рисунок выше . Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связей, пар совместно используемых электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, внутренние, чистые, полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.




(а) Характеристическая полупроводник является диэлектриком , имеющий полную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создать несколько пар электронов дырок , приводящие к слабой проводимости.

Тепловая энергия может время от времени свободно электрон из кристаллической решетки , как на рисунке выше (б). Этот электрон свободен для проводимости о кристаллической решетке. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое место с положительным зарядом в кристаллической решетке , известной как отверстие. Это отверстие не крепится к решетке; но, может свободно передвигаться. Свободный электрон и дырка как вклад в проводимость о кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в отверстие. Это называется рекомбинацией. Если внешнее электрическое поле прикладывается к полупроводнику, электроны и дырки будут проводить в противоположных направлениях. Повышение температуры приведет к увеличению числа электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлов, где сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Число электронов и дырок в собственном полупроводнике равны. Тем не менее, оба носители не обязательно двигаться с той же скоростью, с приложением внешнего поля. Другой способ заявив , что это мобильность не то же самое для электронов и дырок.

Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя, полупроводники должны быть уточнены до высокой степени чистоты в качестве отправной точки предварительного добавления определенных примесей.

Полупроводниковый материал, чистый 1 часть в 10 миллиардов долларов, могут иметь специфические примеси добавлены в приблизительно 1 часть на 10 миллионов человек, чтобы увеличить число носителей. Добавление нужной примеси в полупроводник называют легированием. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, так что она более сравнима с металлом, чем изолятор.

Можно увеличить число отрицательных носителей заряда в кристаллической решетке полупроводника при легировании с донором электронов , как Phosphorus. Доноров электронов, также известный как легирующие N-типа включают в себя элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются легирующие N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк, сурьма и используются с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (б) содержит атомы , имеющие четыре электрона во внешней оболочке, образуя четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это предполагаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит дополнительный электрон в решетке по сравнению с атомом кремния. Примеси пятивалентная образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, вписываясь в решетке с одним электроном осталось. Обратите внимание, что этот запасной электрон не сильно связан с решеткой, как электроны нормальных атомов Si являются. Это свободно перемещаться по кристаллической решетке, не связанного с узлом решетки фосфором. Так как мы легированного в одной части фосфора в 10 миллионов атомов кремния, несколько свободных электронов были созданы по сравнению с многочисленными атомами кремния. Тем не менее, многие электроны были созданы по сравнению с меньшим числом пар электрон-дырка в собственном кремнии. Применение внешнего электрического поля производит сильное проводимости в легированном полупроводнике в зоне проводимости (выше валентной зоны). Более тяжелый уровень легирования производит сильное проводимости. Таким образом, плохо проводящий собственный полупроводник был превращен в хороший электрический проводник.




(а) электронная конфигурация Внешняя оболочка доноров N-типа фосфора, кремния (для справки), и акцепторных P-типа бором. (б) донорной примесью N-типа создает свободный акцептором электронов примеси (с) P-типа создает отверстие, положительный носитель заряда.

Кроме того, можно ввести примесь недостающую электрон по сравнению с кремнием, имеющий три электрона в валентной оболочке, по сравнению с четырьмя для кремния. На рисунке выше (с), это оставляет пустое место , известное как дырка, положительный носителей заряда. Атом бора пытается скрепить с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. При попытке сформировать четыре ковалентные связи три электроны движутся вокруг, пытаясь сформировать четыре облигаций. Это делает отверстие по всей видимости, двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон из соседней (или более отдаленную) атом кремния, образуя четыре ковалентные связи. Тем не менее, это оставляет атом кремния дефицитный одним электроном. Другими словами, отверстие переехал в соседнюю (или более отдаленную) атома кремния. Отверстия располагаются в валентной зоне, уровень ниже зоны проводимости. Допинг с акцептором электронов, атом , который может принять электрон, создает дефицит электронов, такой же , как избыток дырок. Так как отверстия носители положительного заряда, электронный акцептор легирующей также известен как P-типа легирующей примеси. P-типа легирующей примеси покидает полупроводник с избытком дырок, положительных носителей заряда. Элементы Р-типа из группы IIIA периодической таблицы элементов включают в себя: бор, алюминий, галлий, индий и. Бор используется в качестве Р-типа легирующей примеси для кремниевых и алмазных полупроводников, в то время как индий используется с германием.

"Мрамор в трубке" аналогии с электронной проводимостью на рисунке ниже относится движение отверстий с движением электронов. Мрамор представляют собой электроны в проводнике, трубку. Движение электронов слева направо, как в проводе или N-типа полупроводника объясняется электрона, входящего в трубку слева форсирования выхода электрона справа. Проводимость электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырки в валентной зоне.




Мрамор в аналогии трубки: (а) Электроны движутся прямо в зону проводимости , как электроны входят трубки. (б) отверстие перемещается вправо в валентной зоне , как электроны движутся слева.

Для отверстие для входа в левой части рисунка выше (б), электрон должен быть удален. При перемещении отверстие слева направо, электрон должен быть перемещен справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы так, чтобы отверстие может двигаться вправо в трубу. Электрон движется в противоположном направлении положительного отверстие. По мере того как дыра движется дальше вправо, электроны должны двигаться влево, чтобы приспособить отверстие. Отверстие является отсутствие электрона в валентной зоне в связи с P-типа легирования. Он имеет локализованный положительный заряд. Для того, чтобы переместить отверстие в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Поток электронов в N-типа полупроводника аналогично электронов, движущихся в металлической проволоки. Атомы легирующей примеси N-типа даст электроны, доступные для проводимости. Эти электроны, из - за легирующей примеси известны как основных носителей, так как они в большинстве своем, по сравнению с очень немногих тепловых отверстий. Если электрическое поле прикладывается через полупроводниковую бар N-типа на рисунке ниже (а), электроны попадают в отрицательную (слева) конец стержня, пересекают кристаллическую решетку, и выход справа на клеммы аккумулятора (+).




(а) N-типа проводимости с электронами , движущимися слева направо через кристаллическую решетку. (б) полупроводника р-типа с отверстиями движется слева направо, что соответствует электронов , движущихся в противоположном направлении.

Прохождение тока в полупроводнике р-типа является немного более трудно объяснить. P-типа легирующей примеси, акцептором электронов, дает локализованные области положительного заряда, известного как отверстия. Носитель большинства в P-типа полупроводника отверстие. В то время как дыры образуются в местах трехвалентный атом легирующей примеси, они могут перемещаться по полупроводниковым бар. Обратите внимание , что батарея на рисунке выше (б) восстанавливается из (а). Положительный полюс батареи подключен к левой части панели Р-типа. Поток электронов выходит из отрицательной клеммы аккумуляторной батареи, через панель P-типа, возвращаясь к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец полупроводниковой панели для положительного вывода аккумуляторной батареи оставляет отверстие в полупроводнике, которая может перемещаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. При отрицательном конце бара электрон от батареи соединяется с отверстием, нейтрализуя его. Это делает место для другого отверстия двигаться в на положительном конце бара к правой стороне. Имейте в виду, что, как дырки движутся слева направо, что это на самом деле электроны, движущиеся в противоположном направлении, которое отвечает за apparant движения отверстие.

Элементы , используемые для изготовления полупроводников приведены на рисунке ниже . Старейшая группа IVA насыпной полупроводниковый материал германий используется только в ограниченной степени сегодня. Кремниевые полупроводники на основе составляют около 90% промышленного производства всех полупроводников. полупроводники на основе алмаза являются научные исследования и разработки деятельности со значительным потенциалом в это время. Составные полупроводниковые приборы не включают перечисленные кремния германий (тонких слоев на подложках Si), карбид кремния и III-V соединений, таких как арсенид галлия. III-VI полупроводниковые соединения включают в себя: AlN, GaN, InN, ALP, увы, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al х Ga 1-x Как и в х Ga 1-x As. Колонны II и VI Периодической таблицы, который не показан на чертеже, также образуют полупроводниковые соединения.




Группа легирующие IIIA P-типа, группы IV основным полупроводниковые материалы и легирующие группы VA N-типа.

Основной причиной для включения групп IIIA и VA на рисунке выше , чтобы показать Присадки , используемые с группой IVA полупроводников. Группа IIIA элементы являются акцепторами, легирующие P-типа, которые принимают электроны, оставляя отверстие в кристаллической решетке, положительный носитель. Бор является P-типа легирующей примеси для алмаза, и наиболее распространенным легирующей примеси для кремниевых полупроводников. Индий является P-типа легирующей примеси для германия.

Группа VA элементы являются донорами, N-типа легирующие, получая свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими легирующие N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемые легирующие N-типа для кремния; хотя, сурьма может быть использован.

  • ОБЗОР:
  • Встроенные полупроводниковые материалы, чистые на 1 часть в 10 миллиардов долларов, являются плохими проводниками.
  • N-типа полупроводник с примесью пентавалентной примеси для создания свободных электронов. Такой материал является проводящим. Электрон является носителем большинства.
  • P-типа полупроводника, с примесью трехвалентного примеси, имеет множество свободных дырок. Эти носители положительного заряда. Материал Р-типа является проводящим. Отверстие является носителем большинства.
  • Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA Периодической таблицы, причем кремний является наиболее распространенным. Германий все, но устарели. Углерод (алмаз) разрабатывается.
  • широко используются полупроводниковые соединения, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).
 
« ПерваяПредыдущая12345678910СледующаяПоследняя »

Страница 2 из 157
Для тебя
Читай
Товарищи
Друзья