Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Podobne dokumenty
Fizyka 3.3. prof.dr hab. Ewa Popko p.231a

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Fizyka 3.3. prof.dr hab. Ewa Popko p.231a

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Struktura pasmowa ciał stałych

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Elektryczne własności ciał stałych

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Skończona studnia potencjału

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Stany skupienia materii

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

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

Podstawy krystalografii

Elektryczne własności ciał stałych

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Badanie charakterystyki diody

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Zasady obsadzania poziomów

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

FALOWA I KWANTOWA HASŁO :. 1 F O T O N 2 Ś W I A T Ł O 3 E A I N S T E I N 4 D Ł U G O Ś C I 5 E N E R G I A 6 P L A N C K A 7 E L E K T R O N

Rozszczepienie poziomów atomowych

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Stara i nowa teoria kwantowa

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Teoria pasmowa ciał stałych

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

Elektryczne własności ciał stałych

Urządzenia półprzewodnikowe

m e vr =nh Model atomu Bohra

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Przejścia promieniste

Atom wodoru i jony wodoropodobne

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Wykład V Złącze P-N 1

Czym jest prąd elektryczny

Przerwa energetyczna w germanie

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

W5. Rozkład Boltzmanna

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Złącze p-n. Stan zaporowy

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Podstawy fizyki wykład 4

Wykład FIZYKA II. 14. Fizyka ciała stałego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Elementy teorii powierzchni metali

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Ćwiczenie 5 BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY 1.WIADOMOŚCI OGÓLNE

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

Układy nieliniowe. Stabilizator - dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) Logiczna bramka NAND. w.7, p.1

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Fizyka 3.3. dr hab. Ewa Popko, prof. P.Wr. p.231a

Transkrypt:

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Model atomu Bohra Niels Bohr - 1915 elektrony krążą wokół jądra jądro jest zbudowane z: i) dodatnich protonów ii) neutralnych neutronów Liczba atomowa = liczbie protonów w jądrze Kolejność atomów w tablicy układu okresowego wynika z liczby atomowej

Postulaty Bohra Model atomu Bohra Elektrony poruszają się wokół jądra po orbitach stacjonarnych. Atom emituje promieniowanie, gdy elektron przechodzi z jednej orbity stacjonarnej na drugą. Częstotliwość promieniowania jest dana wzorem hf = E m E n h = 6. 63 10 34 Js gdzie E m, E n oznaczają energie tych stanów. : Moment pędu elektronu jest skwantowany m e vr = n h 2π

Atomu wodoru E n 13.6eV 1 2 n Zjonizowany atom n- główna liczba kwantowa n = 1,2,3,4,5, ; n = 3-3.4 ev n = 2 E = - 13.6 ev n = 1 Widmo helu

Budowa atomu Powłoki i orbity Orbity grupują się w powłoki (ang. shells) Różnice energii pomiędzy poziomami w obrębie powłoki są << od różnic energii pomiędzy powłokami Energia elektronu rośnie ze wzrostem odległości od jądra

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Atom może być przedstawiony jako powłoka walencyjna i rdzeń Rdzeń składa się z wewnętrznych powłok i jądra Atom węgla: -powłoka walencyjna 4 e -wewnętrzna 2 e Jądro: -6 protonów -6 neutronów

Kryształy Struktura krystaliczna Struktura amorficzna

Przewodniki materiał przewodzący prąd elektryczny najlepsze przewodniki są jednoatomowe (Cu, Ag, Au, Al) jeden elektron walencyjny słabo związany z atomem swobodny elektron

Półprzewodniki i izolatory Półprzewodnik materiał, który przewodzi prąd elektryczny lepiej niż izolator i gorzej niż przewodnik powszechnie używane półprzewodniki: krzem(si), german Ge) te półprzewodniki posiadają 4 elektrony walencyjne Izolator materiał nie przewodzący prądu elektrycznego elektrony walencyjne są mocno związane z atomem, brak swobodnych elektronów, np. NaCl

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Porównanie atomu półprzewodnika i przewodnika Atom Si: 4 elektrony walencyjne półprzewodnik Konfiguracja elektronowa: 2:8:4 Atom Cu: Tylko 1 elektron walencyjny Dobry przewodnik Konfiguracja elektronowa:2:8:18:1 14 protonów 14 jąder 10 elektronów na powłokach wewnętrznych 29 protonów 29 jąder 28 elektronów na powłokach wewnętrznych

Rozszczepienie poziomów energet. w krysztale

Metale, izolatory, półprzewodniki Zbliżenie atomów w krysztale prowadzi do rozszczepienia poziomów energetycznych. Istotnemu rozszczepieniu ulegają stany elektronów walencyjnych. Rozszczepione poziomy grupują się w pasma Najwyższe pasmo obsadzone elektronami w niemetalach nazywa się pasmem walencyjnym. Sąsiednie wyższe pasmo nazywa się pasmem przewodnictwa. Obszar energii zawartej pomiędzy pasmami, niedozwolony dla elektronów nazywa się przerwą wzbronioną. a) i b) - metale, c) półprzewodnik (przerwa wzbr. 1eV-umownie), d) izolator

Metale, izolatory, półprzewodniki metale półprzewodnik izolator To podejście tłumaczy: małą oporność metali w niskiej T (brak przerwy wzbronionej: stany wolne znajdują się w sąsiedztwie stanów zajętych elektronami); większą oporność półprzewodników i największą - izolatorów (im większa E g, tym mniejsze prawdopodobieństwo p, że elektron znajdzie się w pasmie przewodnictwa); E g prawdop. ~e kt k = 1. 38 10 23 J/K wykładniczy spadek oporności półprzewodników ze wzrostem temperatury (im wyższa temperatura, tym większe prawdopodobieństwo, że elektron znajdzie się w pasmie przewodnictwa).

Elektronovolt (ev) Bardzo użyteczna jednostka energii w fizyce ciała stałego 1eV to energia potrzebna do przeniesienia elektronu w polu elektrycznym między punktami o różnicy potencjałów równej 1V Aby zamienić 1eV na 1J korzystamy z równania: 1eV = 1. 6 10 19 C V = 1. 6 10 19 J Aby obliczyć jakiej długości fali λ odpowiada foton o energii E, wyrażonej w ev, korzystamy z równania: λ(μm) = 1. 24 E(eV) λ(nm) = 1240 E(eV)

Promieniowanie słoneczne Światło widzialne długość fali 0.38mm < l < 0.76mm Fala elektromagnetyczna Strumień fotonów h = 6. 63 10 34 J s c = 3 10 8 m/s

Krawędź absorpcji To podejście tłumaczy również występowanie krawędzi absorpcji w półprzewodnikach i izolatorach (tylko fotony o energii większej od E g zostaną zaabsorbowane): E F = hν = hc λ E g h = 6. 63 10 34 Js c = 3 10 8 m/s CdS

Półprzewodniki - elektrony i dziury W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika: E F = hν E g Absorpcja fotonów Absorpcja fotonów Emisja fotonów

Atom krzemu rdzeń (+4) elektrony walencyjne Liczba atomowa Si wynosi 14. 4 elektrony walencyjne znajdują się na ostatniej orbicie

Kryształ krzemu wiązanie kowalencyjne Centralny atom dzieli się elektronami z swoimi sąsiadami

Kryształ krzemu w temperaturze pokojowej Generacja par elektron-dziura Rekombinacja elektron-dziura Energia cieplna

Przepływ prądu w półprzewodniku Strumień elektronów swobodne elektrony Napięcie polaryzacji Kierunek prądu

Półprzewodniki domieszkowe Ge Ge Ge elektron nadmiarowy Ge As Ge elektrony walencyjne Ge Ge Ge Typu n Typu p

Złącze p-n Złącze p-n Tworzy się złącze p-n E Złącze po utworzeniu Pole elektryczne na styku dwóch półprzewodników powoduje, że prąd łatwo płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony.

W kierunku zaporowym Polaryzacja złącza p-n W kierunku przewodzenia E + E zapor E + E prz

Złącze p-n dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa + + + + + + + p - - - + - + + + - n - - + + + - - - - - - - A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V

Zastosowanie półprzewodników Elektronika: podstawowe elementy (diody, tranzystory) układów dyskretnych i scalonych Teleinformatyka Emitery światła: diody elektroluminescencyjne (LED), lasery półprzewodnikowe Czujniki światła: fotorezystory, fotodiody, kamery CCD, i CMOS Źródła energii: ogniwa słoneczne Motoryzacja: hallotrony (czujniki położenia i prędkości obrotowej wału korbowego oraz wału rozrządu) I wiele innych

Prostownik Jest to układ, który zamienia prąd przemienny na prąd stały a) jednopołówkowy b) dwupołówkowy I t

Efekt fotowoltaiczny

Bateria słoneczna i fotodioda Ogniwo słoneczne i fotodioda działają w oparciu o efekt fotowoltaiczny: światło jest absorbowane dla hn E g tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

Fotowoltaika Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli.

Sprawność ogniwa I V m V η = I mv m I m W IV ćwiartce charakterystyki I- V jest generowana moc: Po oświetleniu

Dioda elektroluminescencyjna (LED) i laser półprzewodnikowy E + E prz Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia Elektrony i dziury w obszarze złącza rekombinują promieniście Emisja spontaniczna Laser emisja wymuszona

Mechanika kwantowa Stan elektronu charakteryzowany jest poprzez: energię, wartość momentu pędu, rzut momentu pędu oraz wartość rzutu własnego momentu pędu nazwa symbol wartość główna liczba kwantowa poboczna liczba kwantowa magnetyczna liczba kwantowa spinowa liczba kwantowa n 1, 2, 3,... l 0, 1, 2,... n-1 m l od l do +l m s ± 1/2