热力学第二定律在半导体理论中的应用
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-26 17:50 编辑热力学第二定律的物理描述，物理学教科书上都有，简单起见，直接截取百度百科，本贴侧重于这个定律在半导体理论中的应用。
第一个应用：平衡原理
热平衡条件下，半导体中的各个物理过程必须是自平衡的，即某个物理过程的发生必须和其逆过程是完全相同的平均速率!!而不能用其它过程进行补偿。
这个平衡原理，是热力学第二定律的必然结果，违背此定律，就会发明出永动机。
证明：
不失一般性，假设物理过程只有两个。
第一个过程是半导体吸收光能，产生电子空穴对！！！其逆过程是半导体释放光子，电子空穴对进行复合！！
第二个过程是从晶格震动中吸收机械能，产生电子空穴对，此过程和第一个第一个过程完全无关，也就是说不牵涉任何光。其逆过程是向晶格释放机械能，电子空穴对进行复合！！！
如果以上两个过程不是自平衡的，而是相互补偿的，会产生什么后果？
在平衡条件下，在单位时间内，假设第一个过程的复合率比产生率高！！！如下图所示：
上图示意出通过复合湮灭两个电子空穴对，然后只产生一对电子空穴，于是这个系统必然从外界释放光能，才能完成此过程，也就是说能量是流出此物理过程的。
对应上面所说的物理过程，此过程释放光子。
这个能量到哪儿去？？如果是第二个物理过程来补偿的，于是逼迫第二个物理过程进行更多的产生（相对于复合来说），才能吸收能量，才能给第一个过程作补偿用。
对应上面所说的物理过程，此时要吸收过剩的光子，不允许它转交给晶格震动。
如此，两个过程的能量就平衡了！！
但是对于第二个物理过程来说，它的产生多于复合，必然要吸收晶格震动能量，这意味着晶格震动要减弱，于是意味着晶格温度在降低！！！这意味着在某个平衡温度下，把这个半导体放于桌子上，它就能自动降温！！
而对于第一个物理过程，它的复合多于产生，于是向外释放光子，于是可用这个光能做功，例如作光电池的能量来源，一个物体通过自动降温，源源不断向外界提供能量，这是违背热力学第二定律的。
或者，这个光子能量外界不接收，于是这个半导体要变热。如果是两个半导体样品，放在一起，一个进行第一个过程，一个进行第二个物理过程，于是根据上面分析，在没有外界的干涉下，一个样品变热，一个洋品变冷！这是违背热力学第二定律的，能量不能自动从低温物体往高温物体上转移。
据此可以得到结论：在热平衡条件下，各个物理过程必须是自平衡的，不能相互补偿。
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-26 18:01 编辑
半导体物理教材中，会研究平衡态下的一般情形，然后再研究若干种特殊情形。
当然了，各种特殊情形都有特定研究场合，都有用处，但是电工研究半导体物理，首要任务是研究晶体管原理的，此时根本无需研究复杂的一般情形，只需要研究一个特殊情形，可以节省大量的时间。
如下图所示，对于半导体样品，如果电离幅射提供能量，在半导体表面上产生电子空穴对：
这种特殊情形后面再说。
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