мини|Primer kubnog kristalnog sistema. мини|Amorfni metali imaju malu žilavost, ali veliku čvrstoću. 200п|мини|desno|Silicijumovi kristali je najčešći poluprovodnički materijal koji se koristi u elektronici i za fotonaponski čelije. desno|мини|200п|Valentni pojasevi poluprovodnika pokazuju potpuno popunjen valentni pojas i prazan provodni pojas. Fermijev nivo leži unutar zabranjenog pojasa. мини|desno|200п|Dislokacije viđene elektronskim mikroskopom. мини|desno|200п|Specifična provodnost je električna provodnost žice preseka 1 -{mm}-2 dužine 1 -{m}-. мини|200п|desno|Linearni tok toplote kod provođenja ili kondukcije toplote. мини|desno|200п|Alniko feromagnet u obliku potkovice. мини|desno|200п|Magnet koji lebdi iznad superprovodnika zbog Majsnerovog efekta (Valter Majsner). мини|desno|200п|Ukrašena kopija prvog tranzistora otkrivenog u firmi Belove laboratorije 23. decembra 1947. kada su američki istraživači Džon Bardin, Volter Hauzer Braten i Vilijam Šokli konstruirali prvi germanijumski bipolarni tranzistor. мини|desno|200п|U molekulu metana veze između atoma ugljenika i vodonika su kovalentne. мини|desno|200п|Ako se kao primese koriste atomi trovalentnih elemenata (na primer bor), tada tri valentna elektrona učestvuju u kovalentnoj vezi sa susedna tri silicijumska atoma, a veza s četvrtim silicijumskim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori. мини|desno|200п|Solarna ćelija ili fotonaponski članak izrađen od pločice monokristalnog silicijuma. мини|desno|200п|Elektroporculan kao izolator za visoke napone. мини|250x250пиксел|Prikaz fotoelektričnog učinka. мини|desno|200п|Svetleće diode. desno|мини|200п|Model prvobitnog kompasa (-{sinan}-) iz dinastije Han (206 pne. – 220.) za koji se pretpostavlja da je napravljen od prirodnog magneta. мини|desno|200п|Suprafluidni helijum koji se nalazi u gornjoj posudi će pomalo isticati iz nje, kap po kap, sve dok se ne isprazni.

Fizika čvrstog stanja je grana fizike koja proučava strukturu materije u čvrstom stanju (čvrsto agregatno stanje) te uz pomoć kvantne fizike istražuje svojstva i procese u kristalnom i amorfnom obliku materije, svojstva kristalisane materije i pojave vezane uz promene fizičkih veličina (na primer temperature, pritiska, dimenzija i oblika mikrokristala, broja i vrste defekata u kristalnoj rešetki i drugo). Zakonitosti utvrđene za kristalisanu materiju primenjuju se delimično i na amorfne čvrste materije ili smeše kristalne i amorfne materije te visokoviskozne tečnosti (na primer fotoosetljiva stakla, čvrste polimere, keramiku i drugo). Mikroskopska teorija čvrstog stanja primena je kvantne mehanike na čvrsto stanje. Njeni rezultati uspešno tumače kvalitativne razlike među različitim čvrstim telima, a u mnogim slučajevima omogućuju i kvantitativni pristup svojstvima tih tela. Budući da je čvrsto stanje sistem od velikog broja atoma, teorija čvrstog stanja služi se nizom približenja (aproksimacija). Tako se pretpostavlja da se ponašanje atomskih jezgara i elektrona može opisivati nezavisno. Pri razmatranju kretanja jezgara ne uzima se u obzir kretanje elektrona, tj. atomi se posmatraju kao celine. Takav je pristup opravdan za objašnjenje nekih mehaničkih i termodinamičkih svojstava koja potiču od međusobnog elastičnog vezivanja atoma. Razmatraju li se elektronska stanja, uzima se da atomska jezgra miruju. Ta je pretpostavka je u znatnoj meri opravdana, jer se u normalnim okolnostima elektroni kreću znatno brže nego jezgra koja su mnogo veće mase od elektrona. Kako su za svojstva čvrstog stanja najvažniji valentni elektroni, posmatraju se samo ti elektroni, a uticaj elektrona u dubljim elektronskim ljuskama uzima se u obzir kroz njihov doprinos električnom polju oko jezgara. Pretpostavlja se da u prvom približenju (aproksimaciji) svaki valentni elektron može biti opisan vlastitom talasnom funkcijom. Razvile su se dve metode u opisivanju međudelovanja (interakcije) valentnih elektrona: atomska aproksimacija i aproksimacija slobodnim elektronima.

Atomsko približenje ili aproksimacija U atomskoj aproksimaciji čvrsto telo se posmatra se kao agregat atoma koji su dovedeni na male udaljenosti jedni od drugih, ali su zadržali svoju punu individualnost. Valentni elektroni u toj aproksimaciji vezani su uz određena jezgra, a prema tome ona u osnovi opisuje stanje dielektrika, kao što su jonski kristali, ali i sva druga čvrsta tela koja u nepobuđenom stanju nemaju vodljivih elektrona. Budući da se pretpostavlja kretanje valentnih elektrona po identičnim orbitama, njihovi se energetski spektri podudaraju. Model kojim se koristi atomska aproksimacija omogućava da se na osnovi poznatih elektrostatičkih sila među jonima u rešetki izračunaju energija veze jonskih kristala, mehanička i termodinamička svojstva i difuzija u jonskoj rešetki. Na osnovu tog modela dobro se opisuju i pobuđena stanja atoma u izolatoru. Izolator može apsorbovati svetlost određene talasne dužine, a da pritom ne postane fotoprovodan. Međutim elektromagnetno zračenje dovoljno velike energije (svakako konačne) oslobađa elektrone iz njihovih atomskih ili molekularnih orbitala na isti način kao pri jonizaciji atoma ili molekula. Tako se objašnjava fotoprovodljivost.

Izolator u čvrstom stanju može u kristalnoj rešetki da sadrži primese stranih atoma ili neke druge defekte. Elektroni koji se nalaze uz defekte nisu vezani istim silama kao elektroni koji se nalaze uz regularne atome. Oni imaju drukčija pobuđena stanja i drukčije jonizacione potencijale. Ako su ti jonizacioni potencijali niži nego jonizacioni potencijali elektrona u čistoj materiji, fotoprovodnost supstancije koja sadrži primese određena je u prvom redu prisutnim primesama. Većina fotoprovodnih čvrstih materija koje se praktično upotrebljavaju tog su tipa. Ako je već toplotna energija dovoljna za oslobađanje elektrona primesa, materija se ponaša kao poluprovodnik s primesnom provodnošću. Ponašanje poluprovodnika s vlastitom provodnošu takođe se tumači na taj način: toplotne promene (fluktuacije) na sobnoj temperaturi uzrokuju jonizaciju regularnih atoma rešetke.

Približenje ili aproksimacija slobodnim elektronima U aproksimaciji slobodnim elektronima polazi se od pretpostavke da valentni elektroni u čvrstom stanju nisu lokalizovani uz pojedine atome, nego se kreću po celoj makroskopskoj zapremini. Njihovo kretanje kroz periodični potencijal kristalne rešetke zapravo se sastoji od uzastopnih prolazaka kroz potencijalne barijere, pa ih za razliku od slobodnih elektrona u vakuumu treba karakterisati efektivnom masom različitom od smaterijane mase. Moguće energije tih elektrona čine kvazikontinuirana područja, takozvane energetske zone, koje se sastoje od velikog broja vrlo blizu raspoređenih energetskih nivoa. Energetske zone vuku poreklo od diskretnih nivoa individualnih atoma; kad se atomi približuju na razmak čvorova u kristalnoj rešetki, interakcije među atomima uzrokuju pomak i cepanje energetskih nivoa elektrona, a takođe i njihovo širenje u zone, jer u kristalnoj rešetki sa -{N}- jednakih i jednako raspoređenih atoma energetski su nivoi -{N}- puta degradirani. Zonama su obuhvaćena moguća energetska stanja elektrona; širina zona iznosi od 1 do 10 -{eV}-. Iznos energije u svakom stanju određen je svojstvima kristala: simetrijom rešetke, međuatomskm razmacima i prostornim rasporedom potencijala u elementarnoj ćeliji. Moguća stanja čine takozvane dopuštene zone, a energetski intervali među njima nazivaju se zabranjenim zonama. Raspored elektrona po nivoima u zonama određen je Fermi-Dirakovom statistikom; u nepobuđenom stanju (na temperaturi bliskoj 0 K) elektroni popunjavaju sve nivoe niže od Fermijevog nivoa. Potpuno pune i potpuno prazne zone ne mogu učestvovati u provodljivosti, nego se vanjskim poljem mogu ubrzavati samo elektroni iz delomično ispunjenih zona. Ispunjene zone nazivaju se i valentnim zonama, a prazna zona iznad valentnih zona naziva se provodnom zonom.

Zonska teorija čvrstog stanja Zonska teorija čvrstog stanja daje zadovoljavajuća objašnjenja za širok raspon provodljivosti čvrstih tela (od 108 -{S/m}- za metale do 10–17 -{S/m}- za dobre izolatore), fotoprovodljivosti, uticaj primesa na provodljivost poluprovodnika, mehanička, optička i delimično toplotna i magnetna svojstva čvrstih tela. Tela kojima je Fermijev nivo u dopuštenoj zoni su provodnici, jer je kod njih najviša zona uvek samo delomično ispunjena, tj. ta tela uvek imaju provodne elektrone; tela kojima Fermijev nivo pada u zabranjenu zonu ili su izolatori ili poluprovodnici.

Defekti kristalne rešetke uzrokuju pojavu lokalnih energetskih nivoa u zabranjenoj zoni. Ako se pri neutralnom stanju defekta na njihovu lokalnom nivou nalazi elektron, nivo se naziva donorskim, a ako se elektron ne nalazi akceptorskim. Zbog tolotnih kretanja donorski nivoi mogu davati elektrone u provodnu zonu, a akceptorski nivoi primati elektrone iz valentne zone. Zato donorne primese u poluprovodnicima uzrokuju elektronsku provodljivost, a akceptorske primese šupljinsku provodljivost. Time se primesna provodljivost razlikuje od vlastite provodljivosti, u kojoj učestvuje uvek isti broj elektrona i šupljina.

Primena Glavne pojave koje se ispituju u fizici čvrstog stanja su promene provodnosti u rasponu temperatura od apsolutne nule do tačke topljenja i usko vezani učinci ili efekti (provodnost; superprovodnost; poluprovodnici; izolator; fotoelektrični učinak; magnetizam; kondenzovana materija).Fizika čvrstog stanja, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.

Provodnost

Provodnost je fizička veličina koja opisuje uticaj materijala na prenos električnog naboja, toplote ili magnetnog polja.Vodljivost, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.

Električna provodnost

Električna provodnost (znak -{G}-) električnog provodnika od homogenog materijala dužine -{l}-, površine poprečnog preseka -{S}-, data je izrazom:

gde je: γ - električna provodnost materijala; recipročna vrednost električnog otpora; merna je jedinica simens (-{S}-).

Toplotna provodnost

Toplotna provodnost (znak -{G}-) opisuje prenos toplote kroz materiju provođenjem, količnik je toplotnog toka (ɸ) kroz materiju i temperaturne razlike -{ΔT}- između dve tačke:

recipročna je vrednost toplotnog otpora; merna je jedinica vat po kelvinu (-{W/K}-).

Magnetna provodnost

Magnetna provodnost (znak Λ) šipke ili žice, površine poprečnog preseka -{S}- i dužine -{l}-, data je izrazom:

gde je: μ - magnetna permeabilnost; recipročna je vrednost reluktancije (magnetnog otpora) magnetnog kruga; merna je jedinica henri (-{H}-).

Superprovodnost

Superprovodnost je stanje pojedinih materija koje se na niskim temperaturama očituje u nestanku njihovog električnog otpora, prolasku električne struje kroz tanku izolatorsku barijeru unutar njih bez električnog otpora (Džozefsonov učinak - Brajan Džozefson) i lebdenju magneta iznad njihove površine (Majzerov učinak - Volter Majzner).Superprovodnost, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014. Superprovodnost je kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fizikom. Tipično nastaje u nekim materijalima na jako niskim temperaturama (nižim od -200 -{°C}-).

Poluprovodnici