Funktionswerkstoffe. supraleitend. Halbleiter. Elektronische Eigenschaften - Einleitung

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1 Funktionswerkstoffe Elektronische Eigenschaften - Einleitung Bandstruktur Elektronenverteilung (Fermi-Dirac) Elektronenbeweglichkeit und Leitfähigkeit Metalle Elektronenanregung Leitfähigkeitsänderungen Defekte Legieren Ordnungszustände Halbleiter Elektronenanregung Fermi-Dirac-Verteilung intrisische/extrinsische Halbleiter Leitfähigkeit Hall-Effekt p-n-übergang Transistor Supraleitung 1. Art und 2. Art Dielektrika Kapazität elektrischer Dipol Polarisation Ferroelektrizität - Einführung Piezoelektrizität - Einführung Elektronische Eigenschaften - Einleitung Elektrische Leitung: isolierend, halbleitend, metallisch, supraleitend

2 Elektronische Eigenschaften - Einleitung II Optische Eigenschaften: Absorption, Emission, Verstärkung, Modifikation und Modulation von Licht laser mirror prism window SHG glass fibre Elektronische Eigenschaften - Einleitung III Magnetische Eigenschaften: Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Diamagnetismus IBM

3 Elektronische Eigenschaften - Einleitung IV Oberflächeneigenschaften: Katalyse, Elektrochemie Bandstruktur

4 Bandstruktur II Bandstruktur III Bsp.: Cu Mg Leiter Isolator Halbleiter

5 Elektronenverteilung N(E) valence band band gap conduction band N(E) Fermi level E E F E Fermi-Dirac-Verteilung 1 f (E) = Fermi-Dirac 1 + exp [ (E - E F ) / kt ] distribution

6 Fermi-Dirac-Verteilung II steigt mit T: T=0 < T 1 < T 2 f (E ) Energie diese Bereiche definieren viele elektronische Eigenschaften: z.b. elektronische spezifische Wärme Fermi-Dirac-Verteilung III Breite ca. 4 kt 4kT bei Raumtemp. enspricht 4kT ca. 0.1 ev gesamte Breite meist mehrere ev f (E ) nur wenige e- sind thermisch aktiviert Energie Fermi-Niveau ist fundamental: thermodynamisch-chemisches Potential für e- in Festkörpern Metalle in Kontakt: Ladungsaustausch bis E F 's gleich

7 Elektronenbeweglichkeit Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Materialien

8 Metalle Elektronenanregung im Metall

9 Leitfähigkeit von Metallen Leitfähigkeit von Metallen II

10 Leitfähigkeit von Metallen III Bildung von Überstrukturen Halbleiter

11 Elektronenanregung im Halbleiter Fermi-Dirac-Verteilung im Halbleiter Ferminiveau liegt im Band-Gap VB E F LB rein Fermi-Dirac Verteilung E F n-dotiert E F p-dotiert

12 Fermi-Dirac-Verteilung im Halbleiter II unteres Ende des Leitungsbandes: E - E F = E gap / 2 E - E F normalerweise viel größer als kt 1 f (E) = 1 + exp [ (E - E F ) / kt ] Exponent dominiert Anzahl angeregter e-: n exp (-E gap / 2kT) intrinsisches Verhalten reiner Materialien Arhhenius Verhalten intrinsische Halbleiter

13 intrinsische Halbleiter II intrinsische Halbleiter III Leitung

14 extrinsische Halbleiter Donatoren (n-dotiert) Akzeptoren (p-dotiert) Donatoren

15 Donatoren II Akzeptoren

16 Akzeptoren II Leitfähigkeit von Halbleitern intrinsisch extrinsisch

17 Leitfähigkeit von Halbleitern II Leitfähigkeit von Halbleitern III

18 Hall-Effekt Hall-Effekt II

19 p-n-übergang p-n-übergang II

20 Transistor Supraleitung

21 Meissner-Effekt Theoretische Modelle

22 Supraleitertypen Supraleiter 1. Art: perfekter Diamagnetismus bis zur kritischen Feldstärke H c ist sehr klein ( < mt ) Supraleiter 2. Art: Flusslinien oder Strudel dringen ab H c1 ein, bis H c2 erreicht wird H c2 kann Werte bis 200T erreichen! Phasendiagramm eines Supraleiters 2. Art die beiden kritischen Feldstärken sind jeweils eine Funktion der Temperatur: H c = H c (0)[1-(T/T c ) 2 ]

23 Kritische Parameter der Supraleitung Ausgewählte Supraleiter

24 Entwicklung der Supraleiter Dielektrika

25 Kapazität elektrotechnisch physikalisch Kapazität II

26 elektrischer Dipol el. Dipolmoment Dielektrische Konstante und Polarisation

27 Dielektrische Konstante und Polarisation II Polarisationsarten elektronische Polarisation ionische Polarisation Orientierungspolarisation

28 elektronische Polarisation ionische Polarisation p

29 Orientierungspolarisation p Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Konstante

30 Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Konstante II Ferroelektrizität - Einführung

31 Piezoelektrizität - Einführung

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