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全面互洽的物理学(二)

已有 655 次阅读 2020-11-10 20:16 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

    互洽才是自然真实

                                  晏成和

在以上文章谈到:原子核对核外电子的引力不会到原子的边缘就戛然而止,相邻原子相互吸引对方价电子、形成价和运转。“价和电子-结构元”实现了原子的结合、建构了基本物质,这种规律运转同时也建立了物质的各种特性,由此,价和电子规律运转是物质特性互洽的根源。

上一篇以钢铁为代表,讨论了金属材料的特性与其价电子规律运转机理全面互洽的关联;在此,对人们常用的非金属材料-硅的各种特性来一个追根寻源的全面解读。

硅元素(Si),原子序数14。是岩石沙子的主要成分。拿一个硅片,面对其以下8种常见的宏观特性进行追根寻源,希望从微观构成、从核外电子规律运动的机制中寻求解读。当所有的解读同源,能够相互援引、没有矛盾才算是互洽。

常温下硅灰黑色晶体有光泽,又硬、又脆;

加热后塑性增加、温度达到1450℃会熔化(相变);

3 单晶硅、掺杂,N型半导体、P型半导体

4 二极管、三极管    5发热、发光材料

6发电、硅光电池    7玻璃、光纤  8 芯片


然而现有的理论是研究到物质的某方面的性能,仅仅依照事物的外部标志,就发表一种对应的物质结构理论,于是,面对上述硅晶体的多种性能,就有多种十分复杂的理论(超晶格与量子阱、应变超晶格、能带工程等等)。

现在我们就以“价和电子-结构元”规律运动机制来诠释硅晶体的各种性能,希望实现期盼已久的互洽。


1)常温下硅灰黑色晶体有光泽,又硬、又脆。

脆性是硅及硅制品-玻璃、陶瓷的重要特性,脆性来自哪里?先看看硅晶体的构成。原子核对电子的引力不会仅仅到原子的边缘,相邻原子相互吸引对方的价电子、形成结构元。

硅原子有4个价电子,中心原子可以与相邻的4个原子建立4个结构元,如图一A,构成四面体。四面体4个顶点上的原子仅有一个价电子与居中原子结合、还有3个结构元连接外界原子,构成连续的空间晶体结构,形成典型的的金刚石结构(图一B),图中用短线表示所谓的共价键。实际上价电子之间是不能“耦合”成键的。价电子相互连接形成结构元,才是物质构成的主力。

   image.png          image.png  

A 硅晶体立体图               B  硅晶体结构示意图(此图来自百度)

                    图一

硅晶体结构元之间连接紧密、稳固,价和电子速率高。宏观的表现是坚硬、有光泽。因为每个原子外有4个价电子环绕,价和电子必须先后以整齐的速率、顺序地从中心原子周围通过。

当有外力损坏了某一个结构元,导致与该结构元相连接的几个结构元的价和电子的运动发生紊乱,结构元发生连锁损坏,晶体破损,宏观的表现就是破碎,硅以及非金属晶体脆性大、容易破损都是这个原因。

而局部温度变化,导致部分价和电子速率改变、整齐的电子运动发生紊乱,造成局部结构元损坏,继而造成整体的破裂,砂锅遇冷热破裂也是这个原因。

 

2 ) 加热后塑性增加、温度达到1450℃会熔化。价和晶体温度均匀升高,价和电子速率提高,也会进行立交扭曲运转,造成结构元不稳固,晶体的塑性增加。温度再高硅晶体能够形成粘度的熔融状态。

 

3 )单晶硅、掺杂,N型半导体、P型半导体。

一般的硅(沙子)含有很多的杂质,只有在熔融状态下,才能让杂质析出,成为性能稳定的单晶硅。在之前文章谈到,物质的导电能力是由原子外层的空隙所贡献的,单晶硅的4 个价和运转的结构元在空间等距、有序环绕。硅原子外层电子空位小、时间短,所以很纯的单晶硅基本不导电,或者说导电能力很差。

 

掺杂。早期的研究者发现,含有杂质的硅导电能力更好,但是原因不清楚,既然是含杂质导电能力更好,那就人为的掺杂。研究者在纯硅晶体中加了少量的5价元素后,就形成了N型半导体,导电能力果然有所提高。

N型半导体导电原理:5价的磷原子顶替了4价硅晶体中一个原子的位置,这多出的一个电子稍有机会就挤进入价和轨道、参与价和运转,扰乱了硅价电子均匀的速率,使得晶体中的价和电子的运转出现了拥挤和堵塞的紊乱现象。

有许多瞬时、某个结构元因电子途中紊乱而导致相关结构元价电子不能到位,于是晶体中出现临时性的电子空位(临时性空位占有一定概率),电压波可以乘机进入空位传导,电子可以在电压波的引导下形成电子的定向流动——导电。

P型半导体:在硅晶体中加入少量的3价元素硼,形成了P型半导体。硼在硅晶体中顶替了硅原子,使得与3价硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转。与这个单电子结构元相连的6个结构元相继有电子进入补充,形成了更多的电子空位,电压波乘机在空位间传导,引导电子换位移动形成电流。这样,掺杂3价元素使得硅晶体的导电能力有很大的增加,形成了P型半导体。

以上分析说明,不管是N型还是P型半导体,其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是晶体中杂质分布引起价和电子不到位或拥挤紊乱运行所致,所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了半导体的温升、热敏、光敏、及单向导电等诸多物理性质。


4 )二极管、三极管

 把N型和P型半导体紧密结合起来,两端连上导线,就形成了半导体二极管。在两种材料的结合处,人们称之为P N 结。二极管能够整流、单向导电,实质是PN结的疏通或堵塞电子空位。

N 型半导体中多出的电子向缺少电子的P 型半导体中扩散。在结合部附近,N 型半导体中多出的电子正好填补了P 型半导体中的空缺。在极薄的结合区域,各结构元的价和电子数正好达到纯硅状态的平衡,减少了电子运转的紊乱和等待,电子空位也大为减少。(图二)是在不导电时的P N 结状态。

image.png

         多出电子(N区)        P N           缺少电子(P区)

                                          图二

这是二维图,P N结是N区多出电子向P区自然扩散而成,所以P N结很薄,存在着较少的临时电子空位,电压波还是能在其间传导。于是形成在二极管中:PN结的电阻最大,P区电阻最小,N区电阻在二者之间。

如果在二极管加上反向电压(电子由P流向N),在电压驱使下电子由P极进入,到达P N 结电阻变大运动受阻,电子在P N 结前聚积,使PN结变得更宽、电阻更大,大到连电压波也不能导通。所以从P 极进入的电子填满了电子空位,没有了电子空位,所以此路不通,这就是二极管的反向电阻很大。

在二极管上加上正向电压,(电子由N流向P),因为P区电阻最小,在电压波的带动下, P N结中的电子迅速地流向P区,使得PN结中缺少电子,实际上这时的P N 结已不存在,已经形成了新的P型半导体。所以,正向电流从N区流向P区,一路畅通无阻。

综上述,电子由P区向N行不通,而由N 向P 则势如破竹,这样,就形成了二极管的单向导电性能,所以二极管可以用来整流、检波(截断反向电流)还可以利用二极管反向电阻大,在电路中起隔离作用。

 

三极管。由两个PN结所构成的PNP或NPN半导体元件,全称是晶体三极管,有很好的放大作用,能够把微弱的电磁波信号放大几十、上百倍,芯片中,硅的一个重要作用就是执行了放大功能。因为讨论会有点冗长,另外专题论述。

 

5 )发热、发光 的二极管

掺杂形成的电子运动紊乱、拥挤、振动形成的发热是讨厌的副产品。聪明的学者选择(N型半导体)振动频率在红外线的材料做成了发热元件,由于半导体发热材料的振动频率一致、稳定,所以热效率很高。

半导体发光:在半导体材料(硅)中,硅原子的4个价电子进行价和运转,平顺、稳定,构成硅晶体。在电流通过半导体时,晶体内的电子运动更加紊乱、电子在拥挤、等待时发生振动、发光,形成了发光二极管(LED)光源。

开始是人们掺杂用价电子速率较高的材料,提高了电子振动频率、发红光,于是就有了二极管单色显示功能;进一步改变掺杂材料速率、提高电子振动频率、二极管能够发出黄色光,就有了基本的照明功能。三原色中,蓝色光频率最高,一直难以找到合适的蓝色发光材料,20年前发明用含氮元素-氮化鎵,制成蓝色发光二极管,人类终于有了全色的LED显示器。

 

6 )光电池  现在,最常用的是硅半导体光电池,它是在N 型硅片上用扩散法渗上薄薄一层硼(3价,再配以电极制成(图三)。 在N 型硅片上有多出电子的趋势,而渗上的一层薄的硼则有缺少电子的趋势,在两种材料的结合处形成了PN结。

image.png

              图三            

在阳光(或其他光)照射下,某一频率的光波与硅、硼结构原中的价和电子运转的电磁波形成共振,振开了部分结构元,使电子运行紊乱。

由于PN结的单向导电性,紊乱的电子不断地由N 区移向P 区。移到P 区的电子在PN结受阻挡,不能反向运动,这样在P 区有多出电子,而在N 区则缺少电子,于是在N、P两极间产生了电子运动趋势(电动势),形成回路之后,就能源源不断地进行电子的流动——形成电流。

由于硅的价和运转频率相对较窄,阳光中只有一小部分频率的光波与光电池中的硅价和频率形成共振,光电池的效率不是很高。若要提高太阳能电池的效率,一是对部分光实行频率转换,二是在太阳能电池中综合多层其他价和速率的物质。

 

7 )玻璃、光纤 

玻璃的主要成分为二氧化硅和其它氧化物,硅原子的4个价电子与相邻两个氧原子的两个价电子组合成玻璃结构(氧还有4个价电子与相邻氧原子结合),因为氧化硅结构元多、内在空间较大、价和电子的速率高,所以宏观特性是透明(能够让可见光的电磁波通过),表面有光泽,力学性能是又硬又脆。

由于透明,可以制成光纤,让光波信号在其中畅通。因为氧化硅表面结构元密集、与表面平行,并且伴生着电磁波,沿光纤方向小角度的信号波会被反射,所以信号波能够在弯曲的光纤中快速通行,不会外泄。

8 ) 芯片

芯片在原理上是以硅晶体管为主体的大规模集成电路块,只是在工艺技术上要求极高。在理解了硅晶体结构、物理特性之后,就能有的放矢制定工艺方案:在温度和拉晶速度上制定最佳方案以制成高纯度(99.999%)晶圆;在切片时选择晶体最佳结理,能够提高成品率、提高芯片稳定性能;选择合适的光刻材料和光波频率。理解晶体掺杂导电原理、发热原理,可以在芯片的制造、加工中扬长避短。

综上所述,运用“价和电子-结构元”规律运动机制,全面互洽地阐明了该物质各种的性能(8种性能),再看看价和电子在硅的各个物理分支中的作用。

力:硅的4个高速价和电子构成的金刚石结构,决定了其硬度和脆性。

热:多个高速率结构元决定了硅的熔化温度很高。

光:二氧化硅价电子高频率的运转形成了对可见光的透明,及良好的光传导性能,为人类提供了高效稳定的光纤。

电:硅的掺杂制成二极管、三极管成为稳定的电路元件,揭示了电子通路在自然中的导电原理。

以上小结不难看出,硅材料的所有物理特性都是价和电子运动的结果,都是其内在电子运动机理在各个侧面的宏观表现。价和电子的规律运转是物质结构形成的始作俑者,是物质基础科研的总开关、是源头活水。因此能够对其各个分支所有的性能进行综合地诠释、并且是全面的互洽,一脉相承。互洽的解读应该是自然的真实。

2020/11/8

参考文献

[1]晏成和,物质是怎样构成的? 科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1094685.html

[2]晏成和,伴生-哲学的新时代 科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1108081.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1257865.html

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