Основы физики твердого тела: Конспект лекций (Строение твёрдых тел. Элементы кристаллографии. Элементы физических статистик. Зонная теория твёрдых тел. Металлы. Полупроводники)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

 Л.Ф. Калистратова, С.В. Данилов,

В.И. Суриков, Н.П. Калистратова

ОСНОВЫ

ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

конспект лекций

Омск, 2010 г.

УДК 539.21 (075)

ББК 22. 37я 73

К17

Рецензенты:

Машков Ю.К. - д.т.н., проф. зав. каф. физики СибАДИ;

Аронова Т.А. - канд. физ.-мат. наук, доцент каф. физики и химии ОмГУПС.

Л. Ф. Калистратова, С.В. Данилов, В.И. Суриков,  Н. П. Калистратова.

К17  Основы физики твердого тела.  Конспект лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. -   62 с.

Составлен в соответствии с ГОС для специальностей технических вузов. Предназначен для студентов второго курса  дневного обучения.

Подготовлен на кафедре физики и одобрен редакционно-издательским советом ОмГТУ

ã Авторы , 2010

ã Омский государственный технический

университет

Введение

Физика твердого тела рассматривает любое вещество, а также его физические, механические, тепловые и другие свойства с точки зрения его внутреннего строения. Поэтому она, как отдельная наука, является очень многоплановой и имеет прямое отношение к нанотехнологиям.

В первой главе настоящего конспекта затронуты некоторые аспекты кристаллографии твердого тела: рассмотрены типичные свойства твердых тел, типы кристаллических ячеек и дефекты кристаллического строения.

Во второй главе твердое тело рассматривается как сложная система, состоящая из большого числа частиц. Такие системы при определенных условиях могут вести себя как классические или квантовые коллективы. Для их описания вводится понятие шестимерного фазового пространства, вырожденных и невырожденных коллективов частиц, полной функции распределения частиц по энергиям, плотности энергетических состояний и вероятности заполнения частицами этих состояний. Рассматриваются вопросы классической статистики (распределение Максвелла-Больцмана) и квантовых статистик фермионов (распределение Ферми-Дирака) и бозонов (распределение Бозе-Эйнштейна).

В третьей главе рассмотрены тепловые свойства твердых тел: теплоемкость (теория Дебая), теплопроводность и тепловое расширение. Обсуждаются температурные зависимости величин, характеризующих тепловые свойства тел.

В четвертой главе рассмотрена зонная теория твердых тел, которая позволяет с единой точки зрения истолковать существование металлов, полупроводников и диэлектриков. Различие в электрических свойствах веществ объясняется существованием  в твердом теле энергетических зон и неодинаковостью заполнения их электронами.

Электрические и тепловые свойства металлов рассмотрены в пятой главе. Здесь же даются понятия работы выхода электронов из металла, внешней и внутренней контактной разности потенциалов.

В шестой главе рассмотрены механизмы проводимости полупроводников. Введены понятия дырки, донора и акцептора, рассмотрена работа полупроводниковых приборов: диода и триода (транзистора). Рассмотрены вольтамперные характеристики диода и коллекторные характеристики транзистора.

Считаем, что данный конспект лекций окажет необходимую помощь в освоении курса физики твердого тела или специальных глав физики студентам второго курса, а также студентам пятого курса, обучающимся в рамках магистратуры ОмГТУ.

Авторы.

1.Строение твёрдых тел. Элементы кристаллографии

1.1. Некоторые общие свойства твёрдых тел

В физике твёрдыми телами обычно называют только кристаллические тела. Кристаллы – это вещества, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы, молекулы и т. д.) расположены правильными периодически повторяющимися рядами. Кристаллы выращивают в лабораторных условиях из растворов, расплавов