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学校の先生からアモルファスシリコンの活性化エネルギーは、結晶シリコンに比べて大きくなると聞いたのですが、何故大きな数値になるのかがわかりません?

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A 回答 (1件)

こんばんは。



物性物理学は専門外ですが、答えてみましょう。ここにおける活性エネルギーと呼ばれているものは、多分自由電子(電流)によるエネルギーであると思います。

さて、結晶シリコンは半導体です、導体と比較してみれば、確かに自由電子によるエネルギーは電圧に比例する形で出てきます。さて、それ以外の場合にも、太陽光などによって、自由電子が出てきます。これが、シリコン半導体による太陽電池になるわけです。

結晶シリコンの場合には、結晶として零点エネルギーによって固定されています。しかしながら、アモルファスの場合には、結晶と液体の中間の性質を持つため、比較的小さな電圧や光などによって、電流を発生することが出来ます。これが、アモルファス型太陽電池だったりします。

では。
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Q熱活性化エネルギーって何ですか?(半導体)

熱活性化エネルギーって何ですか?
バンドでいうとどことどこの順位の間のエネルギーを表しているのですか?だれか教えてください。調べたけど、結局何を表しているのか分かりませんでした。

Aベストアンサー

真性半導体なら禁制帯幅に相当するということでしょう.
不純物半導体なら,n型なら平均的なドナーレベルと伝導体の底の差にあたるということになりますかね.p型なら価電子帯の頂と平均的なアクセプターレベルか.

基本的に伝導度 σ は σ=neμ で表わされます.
μはキャリア移動度,e はキャリア電荷,n はキャリア密度です.
半導体の場合,n が n=n0×exp(-E/RT) の形で変化し,これが伝導の温度依存性の大半を支配します.その結果,伝導の活性化エネルギーは概ねキャリア密度の温度変化を示す Boltzmann 因子のなかの活性化エネルギーに相当します.あとはこの E が半導体のどういう事象と結びつけられるかという問題ですね.

Qバンドギャップと導電率の熱活性化エネルギーの関係

絶縁体のバンドギャップE_bが例えば3 eVということは禁止帯の幅が3 eVあるということですよね。絶縁体の導電率のアレニウスプロットで傾きから熱活性化エネルギーE_aを算出しますが、バンドギャップとの間には関係式みたいなものはあるのでしょうか。
例えば温度が1000Kのときは導電率sはs_0*exp((E_b - E_a)/(1000*k))ということでしょうか。s_0は絶対零度のときの導電率(?)

Aベストアンサー

No.1です。

>バンドギャップが5 eVでありながら、導電率の活性化エネルギーが1 eVというようなデータを見ることがある

そうですね、式の中の E_b - E_a を深く考えていませんでした。で教科書を見直すと、不純物がドープされている場合はドナー準位やアクセプター準位がバンドギャップの中ほどにできることを思い出しました。図で表すと下の感じです。

E

   //////[伝導バンド]/////
E_b -----------------------
   活性化エネルギーE_a
   -----(ドナー準位)------




0   -----------------------
   /////[価電子バンド]////


分かりますかねぇ…。

このような場合、E_b=5eVでE_a=1eVなどとなりますね。E_bとE_aの大きさの関係は…直接はないでしょうね。どこにドナー準位ができるかはバンドギャップE_bと無関係な気がするからです。

なお、この場合ドナー準位から電子が供給されるので導電率は
σ(T)=σ(T=0)×exp[ E_a/k_B T ]
ですね。不純物がドープされていない場合も同じでしょう(E_a=E_bだから)。

No.1です。

>バンドギャップが5 eVでありながら、導電率の活性化エネルギーが1 eVというようなデータを見ることがある

そうですね、式の中の E_b - E_a を深く考えていませんでした。で教科書を見直すと、不純物がドープされている場合はドナー準位やアクセプター準位がバンドギャップの中ほどにできることを思い出しました。図で表すと下の感じです。

E

   //////[伝導バンド]/////
E_b -----------------------
   活性化エネルギーE_a
   -----(ドナー準位)------




0   -----...続きを読む

Q活性化エネルギーの求め方を教えて下さい。

今,例題を解いています。
解答は,活性化エネルギーE=0.69eVとなっています。

アレニウスプロットから傾き3.87*10^-7が算出できました。
ここから先がいきずまっています。

ボルツマン定数R=8.31451(J/mol・K)
E=3.87*10^-7/R

どのように解くとE=0.69eVになるのでしょうか?
よろしくおねがいします。

Aベストアンサー

気体定数R、ボルツマン定数k、アボガドロ数Nの
間の関係式は R=kN です。
式によってはRが使われたりkが使われたりしますので
注意して計算してください。

Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

Q活性化エネルギーの求め方が分かりません

ある反応において、35℃における速度定数が25℃の2倍になったという。
この反応の活性化エネルギーはいくらか求めたいのですが、わかりません。
教えてください!

Aベストアンサー

ryota7さんがお答えのように『アレーニウスの式』を利用すれば計算できると思いますよ。

『アレーニウスの式』では速度定数をk、頻度因子をA,活性化エネルギーEa、気体定数R、温度T(絶対温度)、ネピアの定数をeとすると

K=A×eの(-Ea/RT)乗  つまりK=Ae^(-Ea/RT)となります。

ここで、25℃における頻度因子、活性化エネルギーは35℃におけるそれらと等しい(この温度間で変化しない)と仮定します。
そして、25℃の時の速度定数、K(25℃)と35℃の時の速度定数、K(35℃)の比を計算します。

K(35℃)/K(25℃)は、問題の設定から2倍ですから、

K(35℃)/K(25℃)=2=A(35℃)e^(-Ea/RT1)/ A(25℃)e^(-Ea/RT2)となります。

ここではT1は35℃に相当する絶対温度で35+273(k)T2は25℃に相当する絶対温度で25+273(k)です。
また、この式から分かるように頻度因子は約分されてしまいます。

両辺の自然対数(底が10の常用対数ではありません。常用対数を使うのならば換算しなければなりません。)をとると

ln2=(-Ea/RT1)-(-Ea/RT2)

Ea/Rは共通なので

ln2=(Ea/R)(1/T2-1/T1)となります。

ここへT1,T2、Rを代入すればEaは簡単に計算できます。

用いる気体常数の単位に気をつけてください。
私が学生の頃は旧単位系なので1.987を用いていました。

これを用いると計算結果はカロリーで出てきます。
それをキロカロリーに換算して用いていました。
現在はSI単位系つまりKJ/molでないといけないと思いますが、考え方自体は変わらないはずです。

ちなみに、ln2=0.693として計算すると12.6kcal/mol(旧単位系)となりました。

ryota7さんがお答えのように『アレーニウスの式』を利用すれば計算できると思いますよ。

『アレーニウスの式』では速度定数をk、頻度因子をA,活性化エネルギーEa、気体定数R、温度T(絶対温度)、ネピアの定数をeとすると

K=A×eの(-Ea/RT)乗  つまりK=Ae^(-Ea/RT)となります。

ここで、25℃における頻度因子、活性化エネルギーは35℃におけるそれらと等しい(この温度間で変化しない)と仮定します。
そして、25℃の時の速度定数、K(25℃)と35℃の時の速度定数、K(35℃)の比を計算します。

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Qサーミスタの活性化エネルギーについて

サーミスタの抵抗Rについて考えると
   R=A・exp(B/A)
Aは素子の大きさなどで決まる比例定数
 Bは半導体の禁制帯幅や不純物レベルによって決められる定数であ り、活性化エネルギーと呼ぶ
 Aを消去するために2つの温度T1とT2での抵抗R1とR2を比較すると
   
    R2=R1・exp{ B・(1/T2ー1/T1) } =V/I  ・・・(1)
(1)式を見ると式中のBには単位があることがわかる。どのように考えると単位がわかるか文章で説明せよ。
 
 という問題です。
単位はKJ/molだと思うのですがどのように考えるかがわかりません。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

Bを化学反応の活性化エネルギーのようにみればJ/molの次元ですが、あの場合は分母がRT(J/(mol*degree)*degree=J/molになっていて、E/RTで無次元になります。
今の場合、Bにかかっているのが1/T(1/degree=1/K)ですから、Bの単位はKになります。

参考URL:http://www.semitec.co.jp/products/yogo/yogo_thermistor.html

Q過冷却の起こりやすい金属

金属を溶解し、冷却したときに過冷却が起こりやすい金属とそうでない金属があるのはなぜでしょうか?

測定した金属とその凝固点は
Sn 231.9℃
Bi 271.4℃
Pb 327.5℃

過冷却がみられたのはSnとBiでした。


調べてもよく分からなくて…
どなたか分かりやすく教えて頂けないでしょうか?

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

一般に、液体が融点で結晶化する時や、飽和溶液から析出するときには
最初に結晶成長の核になるものが必要で、この核になるものが無ければ
結晶成長は何時までもはじまらず、過冷却となります。

さて、結晶の核となるのは、外から加えられた種結晶や、
液体中の固体不純物、液体中に偶然出来た結晶と同じ配列、等です。
このうち、種結晶以外から結晶核が生成する場合はエネルギーが必要で、
このエネルギー(結晶核形成エネルギー)が大きい場合には
それだけ結晶核は生成しにくいため、深い過冷却が観測されます。

この結晶核の形成エネルギーの大きさは、
物質によっても、形成のパターンによっても異なりますが、
一般的に言って、不純物を元にした場合の方が
偶然出来る場合よりはるかに小さくて済みます。
さらに、不純物が元になる場合であっても
物質と不純物の種類によって異なる値となります。

ということで、結論的には、
結晶核生成の元になりやすい不純物が含まれている場合には
過冷却にはなりにくい、といえます。

なお、偶然出来る結晶核の生成エネルギーは物質固有の値なのですが
この部分は今回のような実験では考慮は不要です。
なぜなら、かなり過冷却が深くならないと問題にならない上、
普通に取り扱っている材料では十分な量の不純物が含まれていて
さらに容器も巨大な固体不純物として結晶核となり得るためです。
(このため、上記を測定するには特別な方法が必要です)

ちなみに、上記の内容は金属に限った話ではなく、
例えば水の過冷却にも当てはまります。


最後になりますが、この辺りは基礎の話なので参考資料は沢山あります。
教科書的なものを一冊挙げておきます。

金属凝固学概論
W.C.ワインガード著 / 大野 篤美訳 / ISBN4-8052-0016-2

一般に、液体が融点で結晶化する時や、飽和溶液から析出するときには
最初に結晶成長の核になるものが必要で、この核になるものが無ければ
結晶成長は何時までもはじまらず、過冷却となります。

さて、結晶の核となるのは、外から加えられた種結晶や、
液体中の固体不純物、液体中に偶然出来た結晶と同じ配列、等です。
このうち、種結晶以外から結晶核が生成する場合はエネルギーが必要で、
このエネルギー(結晶核形成エネルギー)が大きい場合には
それだけ結晶核は生成しにくいため、深い過冷却が観測...続きを読む

Q非水溶媒におけるアニリンの滴定

非水溶媒におけるアニリンの滴定で指示薬にメチルバイオレットを使用する理由を教えてください。また、なぜフェノールフタレインやメチルオレンジはダメなのかも教えてください。

Aベストアンサー

添付したキリヤ化学様の説明のようにメチルバイオレットは。
1.有機溶媒に非常に溶けやすい。
1.指示薬としての範囲がpH0.8付近で、非常に弱いアニリンと強酸とでの滴定には非常に有効です。
1.フェノールフタレインはpH8付近が変色域ですので、酸での滴定に向きません。(アルカリでの滴定に向いています)

参考URL:http://www.kiriya-chem.co.jp/q&a/q43.html

Qなぜ、金属は温度を下げると抵抗が下がる?

金属は温度を下げていくと抵抗が下がりますが、これはなぜなのか教えてください。
短文で申し訳ありませんが、どなたかよろしくお願いします。

Aベストアンサー

No1の方の参照サイトで分かると思いますが、もう少し詳しく解説してみます。
典型的な金属では、伝導電子の数は温度にあまり依存しません。従って、電気抵抗を発生させる主な原因としては、構造の欠陥と原子の熱振動(格子振動=フォノン)の二つが挙げられます。
結晶性が良く不純物が少ない良質な金属の場合には、前者の構造欠陥による抵抗は小さく、後者の格子振動の寄与が主体となります。この格子振動は温度が下がると振幅が小さくなるので、抵抗への寄与も小さくなり、従って金属の抵抗は低くなっていきます。
しかし、結晶性が悪かったり不純物の多い金属では温度変化の無い構造欠陥の寄与が大きいために、温度を下げてもそんなに抵抗は下がりません。
このように、低温(普通は4K以下)と高温(室温)の抵抗の比を求めることで、測定対象の金属の品質を評価することも出来ます。
一方、半導体などでは、伝導電子の数自体が温度で変わります。動けない低いエネルギー状態にあった電子が、高温になるほど熱エネルギーをもらって伝導電子へと参加して電気伝導度を上昇させるので、結果的に抵抗は下がります。通常の半導体では、この効果が最も顕著なために、低温では金属と逆に電気抵抗が上がるのです。

No1の方の参照サイトで分かると思いますが、もう少し詳しく解説してみます。
典型的な金属では、伝導電子の数は温度にあまり依存しません。従って、電気抵抗を発生させる主な原因としては、構造の欠陥と原子の熱振動(格子振動=フォノン)の二つが挙げられます。
結晶性が良く不純物が少ない良質な金属の場合には、前者の構造欠陥による抵抗は小さく、後者の格子振動の寄与が主体となります。この格子振動は温度が下がると振幅が小さくなるので、抵抗への寄与も小さくなり、従って金属の抵抗は低くなっていきま...続きを読む

Q活性化エネルギーとバンドギャップ

どちらもあるエネルギーを超えるための
壁という意味で理解しているのですが、
物理学的には同じ意味なのでしょうか?

Aベストアンサー

半導体での話ですよね?
活性化エネルギーはバンドギャップの半分の大きさです。


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