Struktura pasmowa ciał stałych

Transkrypt

1 Struktura pasmowa ciał stałych dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ /13 Spis treści 1. Pasmowa teoria ciała stałego Wstęp do teorii Pasma energetyczne Model pasmowy metali i półprzewodników Elektrony swobodne w metalu Półprzewodnik Rodzaje przewodnictwa Urządzenia półprzewodnikowe

2 1. Pasmowa teoria ciała stałego 1.1. Wstęp do teorii Poziomy i pasma Kwantowy model elektronów swobodnych Elektrony są swobodne: elektrony walencyjne nie oddziałują ze sobą tworzą gaz doskonały, Elektrony są fermionami: podlegają statystyce Fermiego-Diraca, Przewodnictwo jest ograniczone zderzeniami z niedoskonałościami sieci krystalicznej. Rodzaje pasm Wartość E g określa minimalną energię, jaka musi być dostarczona do elektronu walencyjnego, aby został on przeniesiony do pasma przewodnictwa. c Ireneusz Owczarek,

3 1.2. Pasma energetyczne Model pasmowy Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu fermionem 1 f(e) = exp E E F + 1. kt Dla T = 0K f(e) = { 1 dla E < EF, 0 dla E > E F. Wnioski W T = 0K zapełnione są wszystkie stany o energiach poniżej E F, Dla dowolnej temperatury prawdopodobieństwo zapełnienia stanu o energii E F wynosi 0, Model pasmowy metali i półprzewodników 2.1. Elektrony swobodne w metalu Model elektronów swobodnych w metalu Dla T = 0K, wszystkie stany o energii poniżej energii Fermiego E F elektronami, a wszystkie o energiach powyżej E F są puste. są zapełnione Dowolnie małe pole elektryczne może wprawić w ruch elektrony z poziomu E F dostarczając im energii i prowadząc do bardzo dużego przewodnictwa elektrycznego. c Ireneusz Owczarek,

4 W temperaturach T > 0K, elektrony są termicznie wzbudzane do stanów o energiach powyżej energii Fermiego Półprzewodnik Budowa krystaliczna ciał Jeżeli doprowadzona energia jonizacji (np. energia cieplna) jest dostatecznie duża to powstające siły zrywają wiązania atomowe i uwolnione w ten sposób elektrony mogą się swobodnie poruszać w krysztale. Te elektrony nazywa się elektronami swobodnymi. Po każdym uwolnionym elektronie pozostaje w siatce krystalicznej dodatnio naładowany jon związany z jądrem atomu. Taki jon nazywa się dziurą. Rodzaje półprzewodników c Ireneusz Owczarek,

5 Półprzewodnik samoistny Półprzewodnik idealnie czysty, nie mający żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Półprzewodnik domieszkowany (niesamoistny) Półprzewodnik specjalnie domieszkowany posiadający swoje własne poziomy energetyczne. Powstałe poziomy mogą znajdować się zarówno w dozwolonych jak i wzbronionych pasmach półprzewodnika, w różnych odległościach od wierzchołka pasma walencyjnego i dna pasma przewodnictwa. Domieszki, które są źródłem elektronów przewodnictwa, noszą nazwę donorów, a poziomy energetyczne tych domieszek poziomów donorowych. Domieszki, które wychwytują elektrony z pasma walencyjnego półprzewodnika, to domieszki akceptorowe, a poziomy energetyczne tych domieszek to poziomy akceptorowe Rodzaje przewodnictwa Przewodnictwo elektronowe i dziurowe c Ireneusz Owczarek,

6 c Ireneusz Owczarek,

7 Złacze p-n Polaryzacja złacza p-n c Ireneusz Owczarek,

8 2.4. Urzadzenia półprzewodnikowe Inne diody Tunelowa Elektroluminescencyjna Fotodioda Tranzystor bipolarny c Ireneusz Owczarek,

9 Świecenie na złaczu p-n Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Energia emitowanego promieniowania pochodzi z rekombinacji pary dziura elektron w półprzewodniku. Elektron i dziura spotykając się w obszarze złącza mogą ulec rekombinacji promienistej energia w całości lub większej części jest przekazywana fotonowi i wraz z nim wypromieniowana. E g = hν = h c λ, λ = h c E g. Światło widzialne o długości od 700nm do 400nm. LED (Light Emitting Diode) Zalety sprawność świecenia większa niż 20%, bardzo wysoka luminancja (energia wypromieniowana do powierzchnia promieniująca), bardzo krótki czas załączania pojedyncze ns, ograniczony tylko ruchliwością nośników elektrycznych, miniaturowe wymiary, mały pobór mocy, odporność na drgania mechaniczne, nie wymagające zasilania wysokonapięciowego, ani warunków podciśnienia. LED jest źródłem światła o klasycznych właściwościach światło to nie jest monochromatyczne, jest niespójne, nieukierunkowane, niespolaryzowane. c Ireneusz Owczarek,

10 Charakterystyki widmowe lasera półprzewodnikowego Literatura [1] Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t PWN, [2] Praca zbiorowa pod red. A. Justa Wstęp do analizy matematycznej i wybranych zagadnień z fizyki. Wydawnictwo PŁ, Łódź [3] Jaworski B., Dietłaf A. Kurs Fizyki t PWN, [4] Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ e-fizyka. Podstawy fizyki. [5] Kąkol Z. Żukrowski J. kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. c Ireneusz Owczarek,