Podstawy fizyki wykład 4

Transkrypt

1 D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 5, PWN, Warszawa H. D. Young, R. A. Freedman, Sear s & Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, Podstawy fizyki wykład 4 Dr Piotr Sitarek Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

2 Struktura ciała stałego Fizyka ciała stałego Ciało stałe jest to zbiór atomów znajdujących się blisko siebie w położeniach równowagi. Atomy te wykonują drgania wokół swych położeń równowagi, a amplituda tych drgań zależy od temperatury. Ze względu na uporządkowanie atomów ciała stałe można podzielić na:

3 Struktura ciała stałego Fizyka ciała stałego - krystaliczne, o uporządkowanym ułożeniu atomów lub molekuł tworzącym regularny wzór zwany siecią krystaliczną, - polikrystaliczne, zbudowane z bardzo wielu malutkich kryształków.

4 Struktura ciała stałego Fizyka ciała stałego - amorficzne, wykazujące brak uporządkowania, np. szkła. Ograniczmy się do ciał krystalicznych!

5 Struktura ciała stałego Fizyka ciała stałego Ciała stałe możemy sklasyfikować zgodnie z trzema podstawowymi właściwościami elektrycznymi: Opór elektryczny właściwy w T = 300 K: [ ]=[ *m] Temperaturowy współczynnik oporu: = (1/ )(d /dt) [ ] =[K -1 ] Koncentracja nośników ładunku: [n] = [m -3 ]

6 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy jonowe Takie kryształy składają się z trójwymiarowego naprzemiennego ułożenia dodatnich i ujemnych jonów. W kryształach jonowych nie ma swobodnych elektronów, które mogłyby przenosić ładunek lub energię, więc kryształy jonowe są złymi przewodnikami elektryczności i ciepła.

7 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy atomowe (kowalencyjne) Składają się z atomów połączonych ze sobą parami wspólnych elektronów walencyjnych. Przykładem mogą być kryształy składające się z atomów z IV grupy układu okresowego, takich jak C, Si Ge.

8 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy atomowe (kowalencyjne)

9 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy metaliczne Elektrony w kryształach metalicznych poruszają się w całym krysztale, są więc wspólne dla wszystkich jonów. Kryształy metaliczne są dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła.

10 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy cząsteczkowe (molekularne) Składają się ze stabilnych cząsteczek, które zachowują wiele swoich cech indywidualnych, nawet przy zbliżaniu ich do siebie. Siły wiążące cząsteczki to słabe siły van der Waalsa, takie jakie istnieją pomiędzy neutralnymi cząsteczkami w fazie gazowej (dla gazów rzeczywistych). Te kryształy są podatne na odkształcenia oraz ze względu na brak elektronów swobodnych są bardzo złymi przewodnikami ciepła i elektryczności.

11 Fizyka ciała stałego Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy o wiązaniach wodorowych. Gdy wodór bierze udział w wiązaniu z silnie elektroujemnym atomem, np. tlenem, pojedynczy elektron jest prawie w pełni przeniesiony na ten drugi atom. Tak powstały proton może przyciągać drugi ujemnie naładowany atom. Wiązania wodorowe są odpowiedzialne za połączenie dwóch łańcuchów w podwójną helisę cząsteczki DNA. Faza stała wody czyli lód, dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych uzyskuje specyficzną, luźną strukturę sieci krystalicznej (w rezultacie czego lód ma mniejszą gęstość niż ciekła woda i pływa po jej powierzchni). W lodzie każdy atom tlenu tworzy jakby cztery wiązania z atomami wodoru, przy czym dwa atomy wodoru są własne, a dwa "pożyczone" z innych cząstek.

12 Fizyka ciała stałego Elektrony w ciałach stałych pasma energetyczne

13 Fizyka ciała stałego Elektrony w ciałach stałych

14 Fizyka ciała stałego

15 Fizyka ciała stałego Elektrony w ciałach stałych pasma energetyczne

16 Fizyka ciała stałego Izolatory W pasmie przewodnictwa w izolatorach nie ma elektronów, a pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione - nawet w wyższych temperaturach. Wartość przerwy wzbronionej pomiędzy pasmem przewodnictwa i pasmem walencyjnym jest bardzo duża (E g > 5 ev) i wzrost energii elektronu spowodowany wzrostem temperatury nie może spowodować jego przejścia z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Brak elektronów w pasmie przewodnictwa jest powodem braku przepływu prądu w izolatorach.

17 Fizyka ciała stałego Metale Pasmo przewodnictwa jest zapełnione częściowo. W temperaturze wyższej od 0K elektrony mogą obsadzać wyższe poziomy energetyczne w pasmie przewodnictwa i pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony mogą się rozpędzać - w ten sposób zachodzi przepływ prądu elektrycznego.

18 Fizyka ciała stałego Metale Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca zwana również funkcją prawdopodobieństwa określa prawdopodobieństwo obsadzenia przez elektrony (a także inne fermiony) dozwolonych stanów energetycznych. Dla T = 0 funkcja rozkładu Fermiego-Diraca ma wartość 1 dla energii 0 < E < E F i 0 dla energii powyżej E F.

19 Fizyka ciała stałego Metale Przewodnictwo elektryczne metali Elektron, który rozpędza się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, po pewnym czasie zderza się z przeszkodą prędkość chmury elektronów ustala się. Przeszkodami (centrami rozpraszania) są wszelkie odstępstwa od uporządkowanej struktury kryształu zanieczyszczenia i/lub oscylacje sieci krystalicznej (fonony). W bardzo niskich temperaturach dominuje rozpraszanie na niedoskonałościach sieci, co daje oporność resztkową. Ze wzrostem temperatury koncentracja elektronów nie wzrasta lecz zwiększają się drgania sieci krystalicznej rośnie koncentracja fononów. Powoduje to zwiększanie rozpraszania i zmniejszenie ruchliwości, a tym samym spadek przewodnictwa (wzrost oporności) wraz ze wzrostem temperatury.

20 Fizyka ciała stałego Metale Przewodnictwo elektryczne metali

21 Nadprzewodnictwo Fizyka ciała stałego Odkryte w 1911r. przez Kammmerlingh Onnes a podczas badania opór elektrycznego rtęci w niskich temperaturach. Poniżej temperatury krytycznej 4,2 K opór elektryczny spada do zera. Zerowy opór oznacza, że elektrony płyną przez nadprzewodnik bez strat energii - prąd wzbudzony w nadprzewodzącym pierścieniu płynie przez wiele lat bez dodatkowego zasilania. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe materiały ceramiczne, które stają się nadprzewodnikami w stosunkowo wysokich temperaturach (rzędu 125 K).

22 Nadprzewodnictwo Fizyka ciała stałego Zjawisko Meissnera Jeżeli nadprzewodnik ochłodzony do temperatury niższej od temperatury T k zostanie umieszczony w polu magnetycznym, to linie indukcji magnetycznej nie przenikają przezeń, ale go omijają.

23 Półprzewodniki Fizyka ciała stałego W półprzewodniku (podobnie jak w izolatorze) w temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne jest całkowicie zajęte elektronami, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste. Ze wzrostem temperatury w pasmie przewodnictwa pojawiają się elektrony, a w pasmie walencyjnym puste miejsca po elektronach, tzw. dziury. W półprzewodniku mamy jednocześnie prąd elektronów i dziur. Jeżeli ilość dziur w pasmie walencyjnym równa jest ilości elektronów w pasmie przewodnictwa p = n, to półprzewodnik taki jest półprzewodnikiem samoistnym. Jeżeli występuje przewaga elektronów w pasmie przewodnictwa lub przewaga dziur w pasmie walencyjnym, to półprzewodnik taki nazywa się półprzewodnikiem domieszkowym.

24 Fizyka ciała stałego Półprzewodniki - samoistne

25 Półprzewodniki typu n Fizyka ciała stałego

26 Półprzewodniki typu p Fizyka ciała stałego

27 Fizyka ciała stałego Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku

28 Fizyka ciała stałego Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku

29 Fizyka ciała stałego Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku

30 Fizyka ciała stałego Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku

31 Półprzewodniki Fizyka ciała stałego

32 Złącze p-n Fizyka ciała stałego

33 Złącze p-n Fizyka ciała stałego

34 Fizyka ciała stałego Emisja i absorbcja światła

35 Fizyka ciała stałego Absorbcja światła bateria słoneczna

36 Fizyka ciała stałego Absorbcja światła bateria słoneczna

37 Dioda LED laser Fizyka ciała stałego

38 Dioda LED laser Fizyka ciała stałego

39 Fizyka ciała stałego Tranzystor polowy MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik) wyjście U DS źródło U GS bramka dren

40 Fizyka ciała stałego Tranzystor polowy MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik)

41 Tranzystor Fizyka ciała stałego

42 Fizyka ciała stałego Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe

43 Fizyka ciała stałego Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe

44 Fizyka ciała stałego Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe 10 nm InAs/InP

45 Fizyka ciała stałego Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe In 0.6 Ga 0.4 As/GaAs InAs/GaAs

46 Grafen

47 Grafen Grafen jako papier dużo cieńszy i mocniejszy od stali

48 Grafen Samochłodzące się tranzystory Dla grafenu: K 5000 W/mK (!) Miedź: 400 W/mK Diament: 2000 W/mK Nanorurki: 3500 W/mK

49 Grafen Szybkie tranzystory polowe i tranzystory jednoelektronowe

50 Grafen Nanomechanika i rezonatory grafenowe. Czujniki masy, siły i ładunku w nanoskali.

51 GaN

52 GaN

53 GaN

54 GaN

55 GaN

56 0.8 nm Nanorurki węglowe

57 Nanorurki węglowe

58 Dziękuję za uwagę!