Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Transkrypt

1 Ciała stałe Podstawowe własności ciał stałych Struktura ciał stałych Przewodnictwo elektryczne teoria Drudego Poziomy energetyczne w krysztale: struktura pasmowa Metale: poziom Fermiego, potencjał kontaktowy Półprzewodniki; półprzewodniki domieszkowane Złącze p-n i urządzenia półprzewodnikowe Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

2 Własności strukturalne ciał stałych Kształt ograniczony płaszczyznami. Kierunki płaszczyzn zadane liczbami całkowitymi (1) Regularne i symetryczne wzory w odbiciu promieni rentgenowskich (2) Regularny układ atomów obserwowany w mikroskopie tunelowym (3) (1) Piotr Sosnowski, CC-BY-SA (2) (3) powierzchnia grafitu Frank Trixler, LMU München H. J. Milledge, University College, London 2

3 Własności elektryczne ciał stałych Własności elektryczne: Oporność właściwa Współczynnik temperaturowy oporu Koncentracja nośników ładunku n miedź krzem Ω m K m-3 metal półprzewodnik 3

4 Inne własności Optyczne: pochłanianie światła, odbicie od powierzchni itp. Mechaniczne: kowalność, sprężystość, propagacja fal dźwiękowych Magnetyczne: podatność magnetyczna, ferromagnetyzm 4

5 Struktura ciał stałych Kryształ idealny: regularne rozmieszczenie atomów Symetria translacyjna Symetria obrotowa Kryształ rzeczywisty: defekty Atom w pozycji międzywęzłowej Cu Luka (wakans) Atom domieszki w węźle Atom domieszki w pozycji międzywęzłowej Si, C (diament) 5

6 Przewodnictwo elektryczne teoria Drudego (1900) W rzeczywistości elektrony rozpraszają się na defektach i deformacjach sieci. Paul Karl Ludwig Drude 6

7 Poziomy energetyczne w krysztale pasma 4s Atomy blisko siebie: dwa poziomy molekularne o nieco różnych energiach Odległe atomy: jednakowe energie elektronu E Pasmo N Bardzo wiele atomów (kryształ): pasmo energetyczne Energia Przerwa Pasmo Przerwa Pasmo Przerwa Pasmo 7

8 Klasyfikacja ciał stałych Metal Dielektryk Eg < ~ 2 ev Eg > ~ 2 ev Półprzewodnik Izolator 8

9 Metale Liczba elektronów: Koncentracja elektronów: Gęstość stanów: liczba elektronów w przedziale energii (E,E+dE) = Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii E (rozkład Fermiego-Diraca) Paul Adrien Maurice Dirac ( ) 9

10 Metale Gęstość stanów obsadzonych: Energia Fermiego: Enrico Fermi ( ) 10

11 Kontaktowa różnica potencjałów energia elektronu energia elektronu A B A + + B

12 Półprzewodniki Półprzewodnik niedomieszkowany: pewna liczba elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa. Dziury w paśmie walencyjnym elektrony Pasmo przewodnictwa dziury Pasmo walencyjne Zależność oporu od temperatury: Średni czas pomiędzy zderzeniami maleje nieznacznie ze wzrostem temperatury Koncentracja rośnie bardzo szybko ze wzrostem temperatury Współczynnik temperaturowy oporu jest ujemny 12

13 Domieszkowanie półprzewodników typ n Pasmo przewodnictwa Półprzewodnik domieszkowany typu n: dodatkowy elektron pochodzący z atomu donora (np. krzem domieszkowany fosforem) EF Ed~10 mev Eg Pasmo walencyjne typ p Półprzewodnik domieszkowany typu p: brak jednego elektronu na każdy atom akceptora dziura (np. krzem domieszkowany glinem) Pasmo przewodnictwa Eg Ea~10 mev EF Pasmo walencyjne W półprzewodniku nośnikami prądu mogą być zarówno elektrony, jak i dziury 13

14 Złącze p-n Różnica poziomów Fermiego powoduje przepływ ładunku i wytworzenie kontaktowej różnicy potencjałów Powstaje obszar zubożony, w którym występuje gradient potencjału, a więc pole elektryczne 14

15 Prądy w niespolaryzowanym złączu p-n (bez zewnętrznego napięcia) Idyf Idryf Prąd dyfuzji (recombination current) prąd nośników większościowych przez barierę potencjału ev0 Prąd dryfu (generation current) prąd nośników mniejszościowych (generowanych termicznie) Bez zewnętrznego napięcia: 15

16 Spolaryzowane złącze p-n Polaryzacja w kierunku przewodzenia (forward bias), V > 0: V Polaryzacja w kierunku zaporowym (reverse bias), V < 0: V Zewnętrznego różnica potencjałów zmienia wysokość bariery i prąd dyfuzji: Prąd przez złącze: 16

17 Przyrządy półprzewodnikowe (1) Dioda prostowanie prądu Dioda świecąca (LED) Fotodioda 17

18 Przyrządy półprzewodnikowe (2) Tranzystor polowy (FET) Tranzystor MOSFET 18