KOMPLETTERANDE FORMELSAMLING FÖR FASTA TILLSTÅNDET I (reviderad version) 1. GITTER. RECIPROKT GITTER. KRISTALLPLAN.

Relevanta dokument
Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik Curt Nyberg, Igor Zoric

TENTAMEN I FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3/KF3 FFY011

Energidiagram enligt FEM

6. Kristalldynamik. [HH 2, Kittel 4-5, (AM 22-23)] Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund

6. Kristalldynamik Elastiska ljudvågor Gittervibrationer och fononer

7. Kristalldynamik I. 7. Kristalldynamik I. 7.1 Gittervibrationer och fononer II. 7.1 Gittervibrationer och fononer I

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Teoridel

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

Frielektron fermigas i en kristall. L z. L y L x. h 2 2m FRIELEKTRONMODELLEN

( ) Räkneövning 3 röntgen. ( ) = Â f j exp -ir j G hkl

HALVLEDARE. Inledning

TENTAMEN I FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3/KF3 FFY011

Re(A 0. λ K=2π/λ FONONER

11. Halvledare. [HH 5, Kittel 8, AM 28]

Enligt Hunds första regel är spin maximal. Med tvνa elektroner i fem orbitaler tillνater

Laboration i röntgendiffraktion och laserdiffraktion för E

2. Röntgendiffraktion

2. Röntgendiffraktion. Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund

N atom m tot. r = Z m atom

2. Röntgendiffraktion

Med ett materials elektriska egenskaper förstår man helt allmänt dess ledningsförmåga, konduktans, och resistans Ohms lag:

Allmänt Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur. l A Allmänt. 8.1.

Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur

Föreläsning 2 - Halvledare

11. Halvledare. 1947, 1 transistor 2012, Intel Westmere, 6.8 miljarder transistorer. [HH 5, Kittel 8, AM 28]

Problem 1. Figuren nedan visar ett mo nster ritad av Tayoin Design.

Hjälpmedel: Det för kursen ociella formelbladet samt TeFyMa. 0 x < 0

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Fasta Tillståndets Fysik - Elektroniska material

ENERGIBAND. Blochfunktioner. ψ k

Energitransport i biologiska system

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Teoridel

Välkomna till kursen i elektroniska material! Martin Leijnse

11. Halvledare Halvledande material

Mätning av Halleffekten och elektriska ledningsförmågan som funktion av temperaturen hos halvledarna InSb / Ge.

3.3. Den kvantmekaniska fria elektronmodellen

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

1. Låt kommutatorn verka på en vågfunktion och inför att ˆp x = i h d. d2 (xψ(x)) ) = h 2 (x d2 Ψ(x) = i2 hˆp x Ψ(x) [ev] E n = 13, 6 Z2 n 2

Föreläsning 2 - Halvledare

7. Anharmoniska effekter

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

7. Anharmoniska effekter

7. Anharmoniska effekter

7. Anharmoniska effekter

Välkomna till kursen i elektroniska material!

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Kap 2. Elektroner som partikel

Svar och anvisningar

Dispersionsrelation för fononer hos en diatomär atomkedja

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar

Tentamen i komponentfysik

Formelsamling för komponentfysik. eller I = G U = σ A U L Småsignalresistans: R = du di. där: σ = 1 ρ ; = N D + p n 0

9. Periodiska potentialer

9. Periodiska potentialer

9. Periodiska potentialer

7. Anharmoniska effekter

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Torsdagen den 15 mars, Teoridel

4.1. Periodiska potentialer I. 4. Elektroner i en periodisk potential Periodiska potentialer II. 4.2 Bloch s teorem I

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Onsdagen den 30 maj, Teoridel Ê Á Ê. B B T Ë k B T Ê. exp m BBˆ.

29. Stimulerad och spontan emission

4. Elektroner i en periodisk potential

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

4.3. Den kvantmekaniska fria elektronmodellen

a e d) Hur varierar det elektriska fältet när vi går ett varv runt kretsen (medurs) från a till e (med batteriet inkopplat enligt figuren)?

3. Kristallinitet. 3.1 Kristallstruktur I Matematiska gitter II Matematiska gitter I. 3.1 Kristallstruktur

3.1 Kristallstruktur Matematiska gitter De 5 2-dimensionella gittren De 7 kristallsystemen och 14 Bravais-gittren i 3D

F2: Kvantmekanikens ursprung

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. l = v th =1/ Materialegenskaper

ÖVNINGSEXEMPEL FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3, 2005 STRUKTUR

0. Lite om ämnet och kursen

3.4. Energifördelningen vid 0 K

Materiens Struktur. Lösningar

1. Figur 1 visar en krets med en voltmeter, två amperemetrar och en järnstav som får fungera som resistor.

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

( ) = B 0 samt att B z ( ) måste vara begränsad. Detta ger

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Varför Komponentfysik? Hålltider --- Ellära, Elektriska fält och potentialer

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

Preliminär timplanering: Plasmafysik

HALVLEDARES ELEKTRISKA KONDUKTIVITET

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

1.15 Uppgifter UPPGIFTER 21. Uppgift 1.1 a) Visa att transformationen x i = a ikx k med. (a ik ) =

8. Fri-elektron-modellerna

F3: Schrödingers ekvationer

Materiens struktur II: fasta tillståndets fysik, kärnfysik, partikelfysik. Björn Fant Kai Nordlund

Introduktion till halvledarteknik

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Har Du frågor angående uppgifterna: kontakta någon av lärarna, vid lektionerna, via e-post eller på deras rum:

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

5. Elektrisk ström Introduktion

Transkript:

KOMPLETTERANDE FORMELSAMLING FÖR FASTA TILLSTÅNDET I (reviderad version) Nedanstående är en minneslista över väsentliga formler och detaljer i den inledande kursen i fasta tillståndets fysik. Observera att listan inte täcker allt man skall kunna, och att förklaringar av hur och när formlerna används saknas eller är ofullständiga. 1. GITTER. RECIPROKT GITTER. KRISTALLPLAN. Gittervektor (direkta gittret) och fundamentala gittervektorer: Periodicitet: R = n 1 a 1 + n 2 a 2 + n 3 a 3 f (r + R) = f (r) Viktiga strukturer: sc, bcc, fcc, hcp, diamant, zinksulfid, cesiumklorid, natriumklorid. Reciprok gittervektor och fundamentala reciproka gittervektorer: G = hb 1 + kb 2 + lb 3 där Samband mellan gittervektorer och reciproka gittervektorer: a 2 a 3 b 1 = 2π a 1 (a 2 a 3 ) a 3 a 1 b 2 = 2π a 1 (a 2 a 3 ) a 1 a 2 b 3 = 2π a 1 (a 2 a 3 ) exp (ig R) = 1 Den endimensionella kristallen: gitterpunkter R = n a, reciprokt gitter G = j 2π/a, 1:a Brillouinzonen π/a < k < π/a. Fourierutveckling i tre dimensioner: Fourierkoefficient: Allmän formel för planavstånd: Kubiska gitter: f (r) = f G exp (ig r) G f G = 1 f (r) exp ( ig r)dv V cell cell d(hkl) = d(hkl) = 2π G(hkl) a h2 + k 2 + l 2 1

2. DIFFRAKTION I KRISTALLER Braggs lag: 2d sin θ = nλ Spridningsamplitud: α = där Villkor för Braggreflexion: eller k på zongräns. Vid Braggreflexion fås där strukturfaktorn ges av S G = och den atomära formfaktorn av f j = V f (r) exp ( i k r)dv k = k k k = G α = N cell S G cell f (r) exp ( ig r)dv = f j exp ( ig d j ) j = S hkl = f j exp [ 2πi(hx j + ky j + lz j )] j atom( j) f (r) exp ( ig r)dv Enkel bcc: S hkl = 2 f om h + k + l =jämnt tal, S hkl = 0 annars. Enkel fcc: S hkl = 4 f om (hkl) alla är udda eller alla jämna; eljest är S hkl = 0. 3. GITTERVIBRATIONER: DISPERSION. Vandrande våg i monoatomär kristall: Periodiska randvillkor i kub med sidan L: u j (t) = u e A exp [i(k R j ωt)] k x = n x 2π L k y = n y 2π L k z = n z 2π L (n x, n y, n z = 0, ±1, ±2, ±3,...) 2

Stående våg (en dimension): Rörelseekvation monoatomärt endimensionellt gitter: u j (t) = A sin(k ja) sin ωt M d2 2 u j(t) = C n (u j+n (t) u j (t)) Dispersionrelation monoatomärt endimensionellt gitter, växelverkan endast mellan närmaste grannar: n ω 2 = (2C 1 /M)(1 cos (ka)) Rörelseekvationer tvåatomärt endimensionellt gitter, växelverkan endast mellan närmaste grannar; två olika massor, alla fjäderkonstanter lika: M 1 d 2 2 u j(t) = C (v j (t) + v j 1 (t) 2u j (t)) M 2 d 2 2 v j(t) = C (u j+1 (t) + u j (t) 2v j (t)) Antal grenar med p atomer i primitiva cellen: 3p varav 3 akustiska. Grupphastighet: v g = ( ω(k) k x, ω(k) k y, ω(k) ) = k ω(k) k z Bose-Einstein-fördelningen: 4. GITTERVIBRATIONER: KRISTALLENS VÄRMEKAPACITET. Total termisk gittervibrationsenergi hos en kristall: U = Kristallens värmekapacitet pga gittervibrationer: per volymsenhet: Dulong-Petits lag: Einstein-modellen: Debye-modellen: U = f BE (T, E) = 0 1 e E/k BT 1 ω f BE (T, ω)g(ω)dω C V = ( ) U T V c V = C V V C V = 3Nk B U = 3N ω f BE (T, ω) ωd 0 ω e ω/k BT 1 3L3 ω 2 2π 2 v dω 3 ω D = k B Θ C V = 9Nk B (T/Θ) 3 Θ/T 0 x 4 e x (e x 1) 2 dx 5. GITTERVIBRATIONER: FONONVÄXELVERKAN, VÄRMELEDNING. Växelverkan med fonon f (inelastisk diffraktion): p 2 = p 1 ± k f + G 3

Ficks lag (diffusion): Diffusivitet: Värmeledning (fononbidrag): där E 2 = E 1 ± ω f J = D n(r) D = 1 3 < v > λ W = K dt dx K = 1 3 < v > λ c V 6. FRI ELEKTRONGAS. 2 2m 2 Ψ(r) = EΨ(r) Ψ k (r) = 1 V exp(ik r) Periodiska randvillkor i kub med sidan L: k x = n x 2π L k y = n y 2π L k z = n z 2π L (n x, n y, n z = 0, ±1, ±2, ±3,...) Fermivågvektor, Fermienergi, Fermitemperatur och Fermihastighet: Fermi-Dirac-fördelningen: k F = (3π 2 n) 1/3 E F = 2 k 2 F 2m = 2 2m (3π2 n) 2/3 T F = E F /k B v F = k F /m = m (3π2 n) 1/3 f FD (T, E) = Elektroner per volymsenhet och energienhet vid energin E: Tillståndstäthet (per volymsenhet): Värmekapacitet per volymsenhet: Samband transportmedelväglängd λ och relaxationstid τ: 1 e (E µ)/k BT + 1 n(e)de = f FD (T, E) g(e)de g(e) = 1 2π 2 (2m/ 2 ) 3/2 E 1/2 c V = π2 2 nk 2 B T E F λ = v F τ 4

Rörelseekvation för individuell elektron under tid << τ: dk = e(e + v B) Ekvation för drifthastigheten: Strömtäthet: Konduktivitet: Mathiessens regel : Metallers värmekapacitet vid låg temperatur: Cyklotronfrekvens: dv d = v d τ e m (E + v d B) j = nev d σ = ne2 τ m = ne2 λ mv F 1 τ = 1 τ g + 1 τ d C V = AT 3 + γt ω c = eb m Hallkoefficient, definition: Magnetoresistans, definition: Hallkoefficient, formel (1 typ laddningsbärare, laddning q): R H = E y j x B ρ = E x j x R H = 1 nq Hallvinkel: tan φ = E y /E x = ω c τ Termisk strömtäthet W och värmeledningsförmåga K hos elektrongasen: W = K dt dx K = 1 3 v2 F τc V Wiedemann-Franz lag: Lorenz-talet för fri elektrongas: K σ = L T L = π2 3 k 2 B e 2 7. BANDTEORI. ELEKTRONER I BLOCHTILLSTÅND. Blochs teorem, en dimension: Ψ(x + a) = e iδ Ψ(x) Ψ(x) = e ikx u k (x) Ψ(x) = e ikx G C G e igx 5

Blochtillstånd betecknas Ψ k (x). I tre dimensioner t.ex. Periodiska randvillkor ger Bandstruktur: Tomma gittrets approximation: Ψ k (r) = e ik r u k (r) k x = j x (2π/L), k y = j y (2π/L), k z = j z (2π/L) E = E(k) E = 2 (k + G)2 2m Antal tillstånd per band = 2 (antal primitiva enhetsceller). Grupphastighet: v g = 1 ( E(k) k x Rörelseekvation för individuell elektron under tid << τ:, E(k) k y, E(k) ) = 1 k z ke(k) dk = e(e + v g B) I lokalt paraboliskt band (dvs med isotrop eller skalär effektiv massa): Med negativ effektiv massa: m dv g = e(e + v g B) dv g m h = e(e + v g B) Rörelseekvation med t.ex. skalär eff. massa, inkluderande relaxation: där v d =< v g > är drifthastigheten. dv d + v d τ = e m (E + v d B) Effektiv massa i en dimension: Effektiv masstensor: m = ( d2 E(k) d( k) 2 ) 1 ( 1 m ) µν = 1 2 E(k) 2 k µ k ν 1/m 11 1/m 12 1/m 13 M 1 = 1/m 21 1/m 22 1/m 23 1/m 31 1/m 32 1/m 33 a = M 1 ( ee) M a = ee 8. HALVLEDARE: LADDNINGSBÄRARKONCENTRATION Bandkanter och bandgap: Störnivåer (impurity levels):e c E d, E v + E a. E c E v = E g Approximativa tillståndstätheter vid bandkanterna: g c (E) = 1 2π 2 (2m e/ 2 ) 3/2 (E E c ) 1/2 6

Population av lednings- och valensband: g v (E) = 1 2π 2 (2m h/ 2 ) 3/2 (E v E) 1/2 n = A c N c e (E c µ)/k B T p = A v N v e (µ E v)/k B T där A c och A v är antal bandkanter av respektive typ i Brillouinzonen. De effektiva tillståndstätheterna i en bandkant (c respektive v) ges av N c = 2 ( m ek B T 2π 2 )3/2 dvs numeriskt N v = 2 ( m hk B T 2π 2 )3/2 N c (m 3 ) = 4.83 10 21 (m e /m) 3/2 T 3/2 N v (m 3 ) = 4.83 10 21 (m h /m) 3/2 T 3/2 Population av störnivåer (degenerationsfaktorer negligerade): N d + = N d 1 + e (E c E d µ)/k B T Na N a = 1 + e (E v+e a µ)/k B T Neutralitet: n + Na = p + N d + (Obs lämpliga approximationer i olika temperaturområden. Jämför med k B T.) Massverkans lag: p n = p i n i = n 2 i 9. HALVLEDARE: LADDNINGSBÄRARNAS RÖRELSE Kinetisk medelenergi och termisk hastighet: < m e v 2 /2 >= 3 2 k BT < m h v 2 /2 >= 3 2 k BT Transportmedelväglängd: < v > T 1/2 λ e =< v e > τ e Strömtäthet i ett elektriskt fält: Drifthastigheter, mobiliteter: Mobilitetens temperaturberoende, mycket approximativt: µ T 1.5 för lägre temperaturer µ T 1.5 för högre temperaturer λ h =< v h > τ h j = nev e + pev h v e = (eτ e /m e )E = µ e E v h = +(eτ h /m h )E = +µ h E Konduktivitet: σ = neµ e + peµ h Kontinuitetsekvationer för partikelströmtätheter och partikelkoncentrationer (endimensionell geometri): p t = g r J h x n t = g r J e x 7

Diffusionsbidrag och driftbidrag till partikelströmtätheter: J h = D h p x + pµ he J e = D e n x nµ ee Einsteins relation mellan diffusivitet och mobilitet: D = k BTµ e Transportekvationer uttryckta i avvikelserna från termisk jämvikt p = p p 0 och n = n n 0 : p t = g r + D h 2 p x 2 pµ E h x µ he p x Gauss lag (endimensionell geometri): n t = g r + D e 2 n x 2 E x = e(p n ) ɛ r ɛ 0 + nµ E e x + µ ee n x Exempelvis n 0 >> p 0 ger att (p n ) är försumbart. För minoritetsbärarna fås då (g är extern excitation) p t där τ n är rekombinationslivstiden i den n-dopade halvledaren. = g p 2 p + D h τ n x µ he p 2 x Diffusionslängd (ex. hål) Ambipolär mobilitet: µ amb = L h = (D h τ n ) 1/2 n 0 p 0 (n 0 /µ h ) + (p 0 /µ e ) 10. HALVLEDARE: pn-övergången. Kontaktpotential (utan pålagd spänning): Samband spänning-ström: där Φ 0 = k BT e ln( N an d ) n 2 i I = I 0 (e ev/k BT 1) V = Φ 0 Φ DL -98, AR -12 8