Электроны в металлах и полупроводниках

Основанная на теории МО зонная модель электронного строения металлов, полупроводников и диэлектриков может показаться не сразу очевидной всем студентам, но после ее обсуждения и объяснения она обычно усваивается. Последний раздел, посвященный силикатам, можно опустить без ущерба для усвоения важнейших понятий, но он дает хорошую возможность закрепить положение о связи между структурой и свойствами и обычно вызывает интерес у студентов. [c.577]

Фотоэффектом называется испускание электронов металлами и полупроводниками при их освещении. Согласно волновой теории света энергия Е вылетающих электронов должна быть пропорциональна освещенности. Однако опыт показывает, что Е от освещен [c.16]

В-третьих, для быстрого протекания каталитических реакций нужно, чтобы катализатор уменьшал энергию активации реакции. Это особенно важно для гомолитических (окислительно-восстановительных) реакций, в которых роль катализатора заключается главным образом в снижении энергии активации при образовании радикалов с разрывом электронной пары. Такими катализаторами будут вещества, имеющие свободные валентности и, следовательно, являющиеся проводниками тока (металлы, полупроводники). Небольшие добавки, повышающие радикальный характер катализатора, будут облегчать переход электронов с катализатора на реагирующее вещество и понижать энергию активации при образовании радикалов на поверхности катализатора. Теоретические основы для выбора втих добавок дает электронная теория. [c.462]

Зонная структура энергетического спектра, как мы видели выше, отражает ту особенность природы атомных кристаллов (металлов, полупроводников и изоляторов), что в них существует непрерывный трехмерный каркас межатомных связей и свойственное кристаллическому веществу периодическое поле. Электронный энергетический спектр молекулярных кристаллов, построенных из отдельных нульмерных молекул, соединенных ван-дер-ваальсовскими связями, не имеет обычной зонной структуры, а представляет собой совокупность до некоторой степени искаженных в результате слабого обменного взаимодействия молекул молекулярных энергетических спектров, состоящих из дискретных энергетических уровней. Кристаллы цепочечной, сетчатой и каркасной структуры, в том числе разнообразные соединения включения, мы рассматриваем как разновидности молекулярных кристаллов, построенных, соответственно, из одно-, двух- и трехмерных молекул или из их комбинаций. Их энергетические спект- [c.118]

В структуре любого тела имеется некоторое число свободных носителей электрических зарядов электронов — в металлах, полупроводниках и плазме ионов — в расплавленных электролитах и их растворах. В электрическом поле указанные частицы приобретают направленное (упорядоченное) движение, получившее название электрического тока. [c.259]

ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

Малые примеси к активной фазе катализатора (металла, полупроводника), как это объясняется электронной теорией катализа, могут резко повышать ее каталитическую активность и влиять на селективность каталитического процесса. Вокруг чужеродного атома, внедрившегося в поверхность катализатора, образуется зона напряжений, спадающих от центра к периферии, обладающих различной избыточной энергией, широким набором дополнительных локальных уровней энергий адсорбции. Тем самым повышается вероятность возникновения участков, оптимально соответствующих условиям данной реакции. Это обычный механизм промотирования катализаторов. Эффективность промотирующего действия добавок (активаторов, промоторов) растет с интенсивностью вызываемых ими нарушений решетки. Поэтому особенно эффективным нередко оказывается промотирование весьма малыми количествами таких веществ, которые при более высоких их содержаниях отравляют катализатор. Промотор может содействовать течению гетерогенно-каталитической реакции, способствуя адсорбции реагирующих веществ или десорбции продуктов с поверхности катализатора. Так, добавка оксида калия к железному катализатору синтеза аммиака способствует десорбции образующегося аммиака с поверхности. [c.306]

Аналогичные явления должны возникать и на интересующих нас границах. Для конкретности рассмотрим границу металл— примесный я-полупроводник. Если уровень электронов примесных атомов выше максимальной энергии электронов металла, то электроны из полупроводника должны переходить в металл до тех пор, пока возникшая из-за этого перехода разница потенциалов [c.519]

У полупроводников при комнатной температуре концентрация носителей тока на несколько порядков ниже, чем у металлов. Полупроводники, в которых электрический ток переносится эквивалентным количеством электронов и дырок, называют собственными полупроводниками. [c.310]

Необходимое условие для наблюдения спектров ЭПР — наличие п исследуемом веществе неспаренного электрона. Этому условию удовлетворяют ионы с частично заполненной электронной оболочкой (например, ионы переходных металлов), свободные радикалы, атомы с нечетным числом электронов, металлы и полупроводники. Мы ограничимся спектрами ЭПР переходных металлов в комплексных соединениях. [c.280]

Твердые фазы немолекулярной структуры представляют собой твердые тела с координационной структурой (металлы, полупроводники и диэлектрики). Химическая связь в них имеет свои особенности и описывается с позиций так называемой зонной теории. Для металлов зонной теории предшествовала модель свободных электронов. [c.129]

К классу электронных проводников, в которых переносчиками электрических зарядов являются электроны, относятся металлы, полупроводники, большинство металлических сплавов, углерод и некоторые твердые соли и окислы. [c.88]

Все или большая часть валентных электронов металла образуют ненасыщенные химические связи (см. 7). В этом смысле валентные электроны металла подобны электронам в зоне проводимости полупроводника и отсюда понятно, что большинство металлов по данным эффекта Холла обладают электропроводностью/г типа. Поэтому, электрохимический потенциал электронов в металле может быть записан следующим образом [c.169]

Если полупроводник п типа находится в контакте с металлом, у которого работа выхода электронов значительно меньше, чем у полупроводника, то в полупроводник переходит часть электронов металла. Поскольку по условию концентрация свободных электронов в объеме полупроводника достаточно велика, то их термодинамическая концентрация на контактной поверхности может приблизиться к единице. Для того чтобы оценить реальность сделанного предполол<ения, следует вычислить необходимый для этого скачок электростатического потенциала в слое пространственного заряда полупроводника, а затем сравнить величину полученного скачка с величиной контактной разности потенциалов между рассматриваемыми телами. Если при этом окажется, что скачок электростатического потенциала меньше контактной разности потенциалов, то сделанное выше предположение должно оправдаться. [c.179]

Обратим теперь внимание на то, что суммарная высота потенциального барьера, возникающего на границе металла с полупроводником, вообще не зависит от природы металла, а определяется только положением электрохимического потенциала электронов в полупроводнике. Этот результат непосредственно следует из формулы (140). Очевидно, что для рассматриваемого случая величина Ь.А из этой формулы равна [c.182]

Скорость электронного обмена между поверхностью полупроводника и данным видом ионов в растворе зависит от расположения соответствующего элемента в ряду напряжений чем правее находится элемент в ряду напряжений металлов (полупроводников) или металлоидов, тем выше скорость электронного обмена. [c.203]

Объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков дается на основе квантовой теории строения кристаллических тел — так называемой зонной теории. Рассмотрим некоторые общие положения этой теории. Переход атомных паров в кристаллическое вещество можно рассматривать как химическую реакцию, так как оптические, термодинамические, электрофизические и другие свойства твердых тел отличаются от свойств газов. Важно отметить, что атомные спектры газов имеют линейчатое строение, а спектры твердых тел имеют сплошной характер или полосатую, очень сложную структуру. Уже при взаимодействии двух одинаковых атомов дискретные атомные энергетические уровни расщепляются и превращаются в полосы. Тем большее расщепление уровней происходит, когда большое число N атомов, например лития, сближается с далеких расстояний до расстояний, на которых они находятся в кристаллической решетке. На рис. 70, а это расстояние между ядрами обозначено на оси абсцисс буквой о- По оси ординат отложена энергия. Находясь на больших расстояниях, атомы не взаимодействуют друг с другом, и диаграмма уровней будет такая же, как и для изолированного атома лития (1 25 ). При сближении атомов начнется взаимодействие между ними, прежде всего у каждого из них станет расщепляться уровень валентных электронов (2х). Уровень 2з) расщепляется в систему весьма близко расположенных N уровней, образуя целую полосу (зону) уровней. Более глубокие уровни при образовании кристалла оказываются совсем не расщепленными или только незначительно расщепленными. [c.233]

В настоящее время различия в электрической проводимости металлов, полупроводников и изоляторов объясняют на основе квантовой теории строения кристаллических веществ или так называемой теории энергетических зон. Сущность ее состоит в следующем. Электроны ближайших к ядру энергетических уровней атомов полностью насыщают эти уровни, находятся в устойчивых состояниях и образуют так называемую заполненную валентную зону. Электрическая проводимость и теплопроводность вещества не связаны с электронами этой зоны. В электрической проводимости могут участвовать только электроны ненасыщенных энергетических уровней. При этом полосы основных и возбужденных (периферических) энергетических уровней разделяются промежуточными свободными полосами, которые не имеют возможных для электрона квантовых состояний. Эту энергетическую зону, промежуточную между зонами основных и возбужденных уровней, называют запрещенной зоной. [c.265]

Аналогичные явления должны возникать и на интересующих нас границах. Для конкретности рассмотрим границу металл — примесный -полупроводник. Если уровень электронов примесных атомов выше максимальной энергии электронов металла, то электроны из полупроводника должны переходить в металл до тех пор, пока возникшая из-за этого перехода разница потенциалов не скомпенсирует разницу уровней. В результате этого вблизи поверхности полупроводника возникает слой (толщина х) объемного заряда. [c.657]

Запрещенная зона является важнейшей характеристикой кристаллического вещества. В соответствии с ее шириной все кристаллические вещества делят на металлы, полупроводники и изоляторы. В металлах ширина запрещенной зоны равна нулю. Если ширина запрещенной зоны большая (выше 4 эВ), то такие веще ства называют изоляторами. В изоляторах не удается перевести электрон в зону проводимости ни путем нагревания, ни применением электрических полей. Вещества, характеризующиеся значениями ширины запрещенной зоны, равными примерно 0,1—4,0 эВ, являются полупроводниками. Их электрическая проводимость при комнатной температуре невелика, а при температурах, близких к О К, они ведут себя как изоляторы. При повышении температуры обычно часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, в результате чего начинает возрастать электрическая проводимость. Таким образом, зависимость электрической проводимости от температуры прин- [c.132]

Запорный слой. Рассмотрим контакт металла с полупроводником. Если уровень Ферми металла лежит ниже уровня Ферми полупроводника, т. е. W e > (рис. 187, б), то поток электронов, вылетающих из полупроводника и попадающих в металл, в первый момент превышает поток электронов из металла. Металл заряжается отрицательно, а полупроводник положительно, в результате между контактирующими образцами возникают контактная разность У/ и электрическое поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника в металл. Направленный поток электронов имеет место до тех пор, пока уровни Ферми в системе не выравняются, после чего устанавливается динамическое ра в-новесие, характеризующееся равенством термоэлектронных токов Ме = /я- откуда [c.455]

Барьерное выпрямление. Определим плотность тока, текущего через контакт металл—полупроводник, при различной полярности внешнего напряжения. Пусть к полупроводнику подключен отрицательный полюс батареи, а к металлу — положительный (прямое подключение). Будем полагать, что все внешнее напряжение падает в приповерхностном слое полупроводника, обладающем высоким сопротивлением. Уровень Ферми (относительно уровня бд) в глубине полупроводника и в металле не изменяется, а в приконтактной области полупроводника смещается на величину еУ, где У — напряжение источника питания. Следовательно, контактная разность потенциалов снижается и становится равной е (У — У) (см. рис. 187, б). В результате снижения потенциального барьера равновесие в системе нарушается и течет ток, направленный из металла в полупроводник, т. е. / = — ] -Со стороны металла высота потенциального барьера не изменилась, поэтому поток электронов из металла тот же, что и в равновесном состоянии, а поэтому [см. выражение (766)] [c.456]

Классификация катализаторов может основываться также на электронных свойствах, которые рассматриваются в специальном разделе физики, посвященном физике твердого состояния. Различают такие классы, как проводники (металлы), полупроводники (окислы или сульфиды самостоятельно или на некислотных носителях) и диэлектрики (окислы и сульфиды [c.140]

При наличии у атомов вещества свободных электронов (металлы, полупроводники) появляется особый вид диа- и парамагнетизма, когда действием внешнего магнитно1о поля спиновые магнитные моменты свободных электронов ориентируются, вследствие чего возникает парамагнетизм электронного газа. При наложении внешнего магнитного поля хаотически движущиеся электроны начинают перемещаться по замкнутым орбиталям, что вызывает Диамагнетизм. Соотношение диа- и парамагнетизма для различных металлов неодинаково. Так, у щелочных металлов преобладает парамагнетизм, а у сурьмы и висмута —диамагнетизм. При малых концентрациях свободных электронов (полупроводники) магнитная восприимчивость существенно зависит от температуры, при высоких концентрациях (металлы) — почти не зависит от нее. [c.192]

Явление разделения электрических зарядов при механическом "йоздействии известно с глубокой древности. Статические генераторы, основанные на разделении зарядов, используются для ускорения элементарных частиц. Контактные разности потенциалов могут возникать при трении как разнородных, так и одинаковых твердых тел. Образование зарядов происходит путем перехода свободных электронов (металлы, полупроводники) -или слабо связанных ионов (диэлектрики). В любом случае возникает ди-польный слой, который при разделении поверхностей разрывается так, что поверхности оказываются заряженными. Их разряд сопровождается холодным излучением (трнболюминесценция) или химическими изменениями. Примером может служить спонтанный распад (взрыв) азида свинца (РЬЫз) при кристаллизации из раствора из-за накопления электрического заряда на поверхности. [c.111]

Число носителей тока здесь ие и.шеиястст с температурой, а их подвижность при ее повышепии падает главным образом из-за возрастания колебаний атомных осто1Юв в решетке металла и вызванного этим сокращения эффективного сечения свободного пробега электронов. В полупроводниках, как и в металлах, подвижность носителей тока с температурой уменьшается, ио одновременно растет число его носителей, которые прп можно представить функцией Больцмана [c.138]

Соотношения (57.10) — (57,14), полученные феноменологическим путем, можно обосновать на основе теории реорганизации растворителя, Как вытекает из этой теории, вероятность квантовомеханического перехода электрона из полупроводника на реагирующую частицу в растворе пропорциональна произведению р(е)л(е)ехр[—ир,(е)/кТ, где р(е) — плотность электронных уровней (плотность состояний электрона). В металлах вблизи уровня Ферми p(e) si onst, а потому уровень е, обеспечивающий наиболее вероятный переход электрона, определяется максимумом произведения п(е) ехр 1— 7д(е)/АЯ (см, 56), Для полупроводниковых электродов в конкуренцию вступает третий фактор —р (е), который равен нулю в запрещенной зоне и резко возрастает при переходе в валентную зону или в зону проводимости. Так, например, в зоне проводимости [c.295]

На границе электроны из л-полупроводника переходят в р-по-лупроводник, в результате этого обе фазы вблизи границы лишаются носителей электричества (п-полупроводник электронов, р-полупроводник дырок). Если .наложить внешнее поле таким образом, чтобы д-полупроводник был заряжен положительно относительно р-полупроводника, то, как и в рассмотренном выше случае границы металл—полупроводник, сопротивление контактного слоя В озрастает и ток будет запираться . [c.521]

Фотоэффектом называется испускание электронов металлами и полупроводниками под действием света. Согласно волновой теории света энергия Е вылетающих электронов (фотоэлектронов) должна быть пропорциональна освещенности. Одиако опыт показывает, что энергия Е от освещенности не зависит. Оказалось, что максимальная энергия < ютоэлектронов Емлкс выражается следующим уравнением (соотношение Эйнштейна). [c.18]

По существу, целью всех многочисленных теорий катализа, которые начали появляться еще в прошлом столетии, было предвидение каталитического действия. Но, пожалуй, началом решения этой задачи следует считать рекомендации по подбору катализаторов, которые содержались в мультиплетной теории А. А. Баландина, теории активных центров X. С. Тэйлора и 3. К. Ридила, в классификации каталитических процессов С. 3. Рогинского, а затем в ряде электронных теорий. В результате появились более или менее общие и проверенные выводы о специфическом характере каталитического действия определенных, правда, довольно обширных групп катализаторов, например, для реакций гидро- и дегидрогенизации, окисления, галогенироваиия — металлы и оксиды металлов— полупроводники для реакций гидратации — дегидратации, гидрогалогенирования, алкилирования алкилгалогенидами — бренстедовские и льюисовские кислоты и основания. Но подбор [c.248]

При большой разнице в работах выхода электронов нз полупроводника и металла контактная поверхность полупроводника приобретает металлические свойства. На границе раздела образуется при этом потенциальный барьер простейшей формы, вольт-амперная характеристика которого совпадает с вольт-ам-перной характеристикой п— р—р ) или р—п п—р) переходов. [c.184]

По классификации, введенной Фарадеем, различают два типа проводников — ир0в0(3ны/сы первого и второго рода. Электрическую проводимость в проводниках 1-го рода (металлы, полупроводники) обеспечивают электроны, а в проводниках 2-го рода (растворы электролитов, расплавы, твердые электролиты, ионизированные газы)—ионы. Если электрическая цепь включает, по крайней мере, один проводник 2-го рода, то прохождение постоянного электрического тока — I = ад/сИ ( —время) — по этой цепи сопровождается электрохимическими реакциями на обоих проводниках 1-го рода, находящихся в контакте с проводником 2-го рода. Анодом будем называть проводник 1-го рода, на котором протекает электрохимическая реакция окисления, а сам проводник несет избыточный положительный заряд по отношению ко второму проводнику 1-го рода. Последний будем называть катодом-, на нем протекает электрохимическая реакция восстановления. [c.444]

Полупроводники. Магнитные свойства полупроводников, как и металлов, обусловлены их электронной структурой. Однако в отличие от металла полупроводники в основном состоянии (О К) не имеют электронов проводимости. Они появляются лишь с повышением температуры, и число их растет по экспоненциальному закону (см. гл. V). Поэтому можно ожйдать, что часть магнитной восприимчивости, обусловленная носителями тока, будет резко зависеть от температуры. Помимо этого, вклад в восприимчивость будет вноситься ионными остовами кристаллической решетки, а также различными дефектами кристалла, в первую очередь атомами примеси. Магнитную восприимчивость полупроводника, не обладающего атомным магнитным порядком, можно приближенно представить в виде суммы [c.305]

Другой характерной особенностью зонной структуры кремния является то, что следующая вакантная 4я-зона не перекрывается с валентной на межатомных расстояниях г = Го, а отделена от последней зоной запрещенных энергий АЕ. Электроны, находящиеся в валентной зоне, участвовать в электрической проводимости не могут, так как в этой зоне все состояния заняты. Для возбуждения электрической проводимости необходимо любым путем (нагревание, облучение) сообщить электронам энергию, равную АЕ (рис. 90, б). Тогда возбужденные электроны попадают в свободную 4в-зону, которая называется зоной проводимости, и становятся способными участвовать в электрической проводимости. Энергетический промежуток между верхним краем (потолком) валентной зоны и нижним краем (дном) зоны проводимости (АЕ) называется шириной запрещенной зоны. Эта величина представляет собой важнейшую характеристику кристаллического вещества. В зависимости от ширины запрещенной зоны все кристаллические вещества подразделяются на три класса металлы, полупроводники и изоляторы (диэлектрики). В мета.ллах ширина запрещенной зоны равна нулю, так как заполненная и свободная зоны перекрываются между собой и, в сущности, валентная зона одновременно будет и зоной проводимости. Именно способность валено ных электронов в металлах к свободному перемещению по всему объему кристалла и обусловливает их высокие электрическую пройодимость и теплопроводность. [c.191]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология