Halbleiterphysik ist die Studie der starren Sache oder Festkörper, durch Methoden wie Quant-Mechanik, Kristallographie, Elektromagnetismus und Metallurgie. Es ist der größte Zweig der kondensierten Sache-Physik. Halbleiterphysik studiert, wie sich die groß angelegten Eigenschaften von festen Materialien aus ihren Atomskala-Eigenschaften ergeben. So bildet Halbleiterphysik die theoretische Basis der Material-Wissenschaft. Es hat auch direkte Anwendungen, zum Beispiel in der Technologie von Transistoren und Halbleitern.

Hintergrund

Feste Materialien werden von dicht gepackten Atomen gebildet, die höchst aufeinander wirken. Diese Wechselwirkungen erzeugen das mechanische (z.B Härte und Elastizität), thermische, elektrische, magnetische und optische Eigenschaften von Festkörpern. Abhängig vom Material beteiligt und die Bedingungen, in denen es gebildet wurde, können die Atome in einem regelmäßigen, geometrischen Muster eingeordnet werden (kristallene Festkörper, die Metalle und gewöhnliches Wassereis einschließen), oder unregelmäßig (ein amorpher Festkörper wie allgemeines Fensterglas).

Der Hauptteil der Halbleiterphysik-Theorie und Forschung wird auf Kristalle eingestellt. In erster Linie ist das, weil die Periodizität von Atomen in einem Kristall - seiner Definieren-Eigenschaft - das mathematische Modellieren erleichtert. Ebenfalls haben kristallene Materialien häufig elektrische, magnetische, optische oder mechanische Eigenschaften, die zu Technikzwecken ausgenutzt werden können.

Die Kräfte zwischen den Atomen in einem Kristall können eine Vielfalt von Formen nehmen. Zum Beispiel, in einem Kristall des Natriumchlorids (Kochsalz), wird der Kristall aus ionischem Natrium und Chlor zusammengesetzt, und mit ionischen Obligationen zusammengehalten. In anderen teilen die Atome Elektronen und bilden covalent Obligationen. In Metallen werden Elektronen unter dem ganzen Kristall im metallischen Abbinden geteilt. Schließlich erlebt das edle Benzin keinen dieser Typen des Abbindens. In der festen Form wird das edle Benzin mit Kräften von van der Waals zusammengehalten, die sich aus der Polarisation der elektronischen Anklage-Wolke auf jedem Atom ergeben. Die Unterschiede zwischen den Typen des festen Ergebnisses von den Unterschieden zwischen ihrem Abbinden.

Kristallstruktur und Eigenschaften

Viele Eigenschaften von Materialien werden durch ihre Kristallstruktur betroffen. Diese Struktur kann mit einer Reihe von crystallographic Techniken, einschließlich der Röntgenstrahl-Kristallographie, Neutronbeugung und Elektronbeugung untersucht werden.

Die Größen der individuellen Kristalle in einem kristallenen festen Material ändern sich, je nachdem das Material eingeschlossen hat und die Bedingungen, als es gebildet wurde. Die meisten kristallenen im täglichen Leben gestoßenen Materialien sind mit den individuellen Kristallen polykristallen, die in der Skala mikroskopisch sind, aber makroskopische Monokristalle können irgendein natürlich (z.B Diamanten) oder künstlich erzeugt werden.

Echte Kristalle zeigen Defekte oder Unregelmäßigkeiten in den idealen Maßnahmen, und es sind diese Defekte, die kritisch viele der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von echten Materialien bestimmen.

Das Kristallgitter kann vibrieren. Wie man findet, werden diese Vibrationen, die gequantelten Schwingweisen gequantelt, die als phonons bekannte. Phonons spielen eine Hauptrolle in vielen der physikalischen Eigenschaften von Festkörpern wie die Übertragung des Tons. Im Isolieren von Festkörpern sind phonons auch der primäre Mechanismus, durch den Hitzeleitung stattfindet. Phonons sind auch notwendig, für die Gitter-Hitzekapazität eines Festkörpers, als im Modell von Einstein und dem späteren Modell von Debye zu verstehen.

Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit und Hitzekapazität werden durch die Physik des festen Zustands untersucht. Ein frühes Modell der elektrischen Leitfähigkeit war das Modell von Drude, das kinetische Theorie auf die Elektronen in einem Festkörper angewandt hat. Durch das Annehmen, dass das Material unbewegliche positive Ionen und ein "Elektronbenzin" von klassischen, aufeinander nichtwirkenden Elektronen enthält, ist das Modell von Drude im Stande gewesen, elektrisches und thermisches Leitvermögen und die Saal-Wirkung in Metallen zu erklären, obwohl es außerordentlich die elektronische Hitzekapazität überschätzt hat.

Arnold Sommerfeld hat das klassische Modell von Drude mit der Quant-Mechanik im freien Elektronmodell (oder Drude-Sommerfeld Modell) verbunden. Hier werden die Elektronen als ein Benzin von Fermi, ein Benzin von Partikeln modelliert, die dem Quant mechanische Fermi-Dirac Statistik folgen. Das freie Elektronmodell hat verbesserte Vorhersagen für die Hitzekapazität von Metallen jedoch gegeben, es war unfähig, die Existenz von Isolatoren zu erklären.

Das fast freie Elektronmodell ist eine Modifizierung des freien Elektronmodells, das eine schwache periodische Unruhe einschließt, die beabsichtigt ist, um die Wechselwirkung zwischen den Leitungselektronen und den Ionen in einem kristallenen Festkörper zu modellieren. Durch das Einführen der Idee von elektronischen Bändern erklärt die Theorie die Existenz von Leitern, Halbleitern und Isolatoren.

Das fast freie Elektronmodell schreibt die Gleichung von Schrödinger für den Fall eines periodischen Potenzials um. Die Lösungen sind in diesem Fall als Staaten von Bloch bekannt. Da der Lehrsatz von Bloch nur für periodische Potenziale gilt, und da unaufhörliche zufällige Bewegungen von Atomen in einem Kristall Periodizität stören, ist dieser Gebrauch des Lehrsatzes von Bloch nur eine Annäherung, aber es hat sich erwiesen, eine schrecklich wertvolle Annäherung zu sein, ohne die der grösste Teil der Halbleiterphysik-Analyse unnachgiebig sein würde. Abweichungen von der Periodizität werden durch das Quant mechanische Unruhe-Theorie behandelt.

Moderne Forschung in der Physik des festen Zustands

Aktuelle Forschungsthemen in der Physik des festen Zustands schließen ein:

• Stark aufeinander bezogene Materialien
• Quasikristalle
• Spinnen Sie Glas
• Neil W. Ashcroft und N. David Mermin, Physik des Festen Zustands (Harcourt: Orlando, 1976).
• Charles Kittel, Einführung in die Physik des Festen Zustands (Wiley: New York, 2004).
• H. M. Rosenberg, Der Feste Zustand (Presse der Universität Oxford: Oxford, 1995).
• Aus dem Kristallirrgarten. Kapitel von der Geschichte von Physik des Festen Zustands, Hrsg. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Presse der Universität Oxford, 1992).
• M. A. Omar, Elementare Physik des Festen Zustands (Revidierter Druck, Addison-Wesley, 1993).