Cia!a sta!e. W!asno"ci elektryczne cia! sta!ych. Inne w!asno"ci

Transkrypt

1 Cia!a sta!e Podstawowe w!asno"ci cia! sta!ych Struktura cia! sta!ych Przewodnictwo elektryczne teoria Drudego Poziomy energetyczne w krysztale: struktura pasmowa Metale: poziom Fermiego, potencja! kontaktowy Pó!przewodniki; pó!przewodniki domieszkowane Z!#cze p-n i urz#dzenia pó!przewodnikowe W!asno"ci strukturalne cia! sta!ych Kszta!t ograniczony p!aszczyznami. Kierunki p!aszczyzn zadane liczbami ca!kowitymi (1) Regularne i symetryczne wzory w odbiciu promieni rentgenowskich (2) Regularny uk!ad atomów obserwowany w mikroskopie tunelowym (3) Piotr Sosnowski, CC-BY-SA (2) (3) powierzchnia grafitu (1) Frank Trixler, LMU München Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 H. J. Milledge, Young, Friedman, rozdz University College, London 2 W!asno"ci elektryczne cia! sta!ych W!asno"ci elektryczne: Oporno"$ w!a"ciwa Wspó!czynnik temperaturowy oporu Koncentracja no"ników!adunku Inne w!asno"ci Optyczne: poch!anianie "wiat!a, odbicie od powierzchni itp. Mechaniczne: kowalno"$, spr'(ysto"$, propagacja fal d%wi'kowych Magnetyczne: podatno"$ magnetyczna, ferromagnetyzm mied% krzem! 2&10-8 3&10 3!&m " +4& &10-3 K -1 n 9& &10 16 m -3 metal pó!przewodnik 3 4

2 Struktura cia! sta!ych Kryszta! idealny: regularne rozmieszczenie atomów Symetria translacyjna Przewodnictwo elektryczne teoria Drudego (1900) Symetria obrotowa Kryszta! rzeczywisty: defekty Atom w pozycji mi'dzyw'z!owej Cu Luka (wakans) Atom domieszki w w'%le W rzeczywisto"ci elektrony rozpraszaj# si' na defektach i deformacjach sieci. Atom domieszki w pozycji mi'dzyw'z!owej Si, C (diament) 5 Paul Karl Ludwig Drude 6 Poziomy energetyczne w krysztale pasma 4s Klasyfikacja cia! sta!ych Odleg!e atomy: jednakowe energie elektronu Atomy blisko siebie: dwa poziomy molekularne o nieco ró(nych energiach E N # Bardzo wiele atomów (kryszta!): pasmo energetyczne Energia 7 Metal E g < 2 ev ~ Pó!przewodnik Dielektryk E g > 2 ev ~ Izolator 8

3 Liczba elektronów: Koncentracja elektronów: Metale G'sto"$ stanów obsadzonych: Metale G!sto"# stanów: liczba elektronów w przedziale energii (E,E+dE) = Energia Fermiego: Prawdopodobie)stwo obsadzenia stanu o energii E (rozk!ad Fermiego-Diraca) Paul Adrien Maurice Dirac ( ) 9 Enrico Fermi ( ) 10 Kontaktowa ró#nica potencja!ów Pó!przewodniki energia elektronu A B energia elektronu Pó!przewodnik niedomieszkowany: pewna liczba elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa. Dziury w pa"mie walencyjnym Zale(no"$ oporu od temperatury: elektrony dziury przewodnictwa walencyjne + A + B + Koncentracja ro"nie bardzo szybko ze wzrostem temperatury *redni czas pomi'dzy zderzeniami maleje nieznacznie ze wzrostem temperatury 11 Wspó!czynnik temperaturowy oporu jest ujemny 12

4 Domieszkowanie pó!przewodników Pó!przewodnik domieszkowany typu n: dodatkowy elektron pochodz#cy z atomu donora (np. krzem domieszkowany fosforem) Pó!przewodnik domieszkowany typu p: brak jednego elektronu na ka(dy atom akceptora $ dziura (np. krzem domieszkowany glinem) E g E g E F E F typ n przewodnictwa walencyjne typ p przewodnictwa walencyjne E d ~10 mev E a ~10 mev Z!$cze p-n Ró(nica poziomów Fermiego powoduje przep!yw!adunku i wytworzenie kontaktowej ró$nicy potencja%ów Powstaje obszar zubo$ony, w którym wyst'puje gradient potencja!u, a wi'c pole elektryczne W pó!przewodniku no"nikami pr#du mog# by$ zarówno elektrony, jak i dziury Pr$dy w niespolaryzowanym z!$czu p-n (bez zewn'trznego napi'cia) & & % % Spolaryzowane z!$cze p-n Polaryzacja w kierunku przewodzenia (forward bias), V > 0: V Polaryzacja w kierunku zaporowym (reverse bias), V < 0: V I dyf Pr#d dyfuzji (recombination current) pr#d no"ników wi!kszo"ciowych przez barier' potencja!u ev 0 I dryf Pr#d dryfu (generation current) pr#d no"ników mniejszo"ciowych (generowanych termicznie) Zewn'trznego ró(nica potencja!ów zmienia wysoko"$ bariery i pr#d dyfuzji: Bez zewn'trznego napi'cia: Pr#d przez z!#cze: 15 16

5 Przyrz$dy pó!przewodnikowe (1) Dioda prostowanie pr#du Przyrz$dy pó!przewodnikowe (2) Tranzystor polowy (FET) Tranzystor MOSFET Dioda "wiec#ca (LED) Fotodioda 17 18