Matriały do wykładu 12. Elktrony wwnątrz matrii 12.1 Wstęp Fizyka w doświadczniac Krzysztof Korona Arcolodzy mają zwyczaj dzilić poki wdług matriałów, któr były najważnijsz w danyc czasac dla człowika. I tak, były poki kaminia, brązu i żlaza. Gdyby przyszło w tn sposób okrślić czasy obcn, pwni stwirdzilibyśmy, ż żyjmy w poc krzmu. Z krzmu ni wytwarzamy narzędzi mcanicznyc, al lmnty półprzwodnikow będąc narzędziami do strowania lktronami. Plan VU N I VE RS ITATI S VA R SO I E NS IS 1. Wstęp 2. Przwodnictwo ciczy 3. Elktrony w kryształac 4. Mtal i półprzwodniki 5. Elmnty lktroniczn 6. Podsumowani Uniwrsytt Warszawski Wydział Fizyki Rys. 12.1 Diody świcąc 2010-15 Matriały do clów dydaktycznyc przznaczon dla studntów Uniwrsyttu Warszawskigo, Wykorzystani ic w innyc clac jst możliw pod warunkim uzyskania zgody autora. 325
12.2 Przwodnictwo ciczy Woda przwodzi prąd, al nicętni. Aby sprawdzić, jaki warunki muszą być spłnion do przwodznia prądu wykonamy prost doświadczni. Przwodnictwo wody (!) Przyrządy i matriały - woda dstylowana, cukir, sól - szklanka, - blaszki lub 2 łyżczki na lktrody, - żarówka do latarki (3,5 V), - batria 4,5 V, - 3 kablki. Przpływ prądu przz cicz (!) Słona woda przwodzi dzięki tmu, ż sól kucnna, NaCl, ulga rozpadowi na dodatni jony sodu Na + i ujmn jony cloru Cl -. Procs tn nazywamy dysocjacją soli: NaCl Na + + Cl -. (12.1) W ciczy prąd prznoszony jst przz jony. Mogą on mić ładunk dodatni (kationy) lub ujmny (aniony). Kirunk przpływu prądu wyznaczony jst przz kirunk rucu jonów dodatnic. Elktroliza siarczanu midzi Do koljngo ksprymntu rozpuszczamy w wodzi siarczan midzi. Dysocjacja siarczanu midzi: CuSO 4 Cu 2+ + SO 4 2-, (12.2) Przbig doświadcznia Do naczynia z czystą (najlpij dstylowaną) wodą wkładamy dwi lktrody (dowoln dwa mtalow przdmioty) podłączon do obwodu, w którym jst żarówka i batria. Sprawność żarówki sprawdzamy zwirając na cwilę lktrody. Żarówka ni świci, co oznacza, ż czysta woda słabo przwodzi prąd. 326 Rys. 12.2 Przpływ prądu w wodzi z solą. Następni słodzimy wodę. Żarówka nadal ni świci cukir ni zwiększa przwodnictwa wody. Na końcu do wody dosypujmy soli. Okazuj się, ż posolona woda przwodzi i żarówka zaczyna święcić. 2 Rys. 12.3 Elktroliza siarczanu midzi Do naczynia wkładamy dwi czyst lktrody węglow i podłączamy do nic napięci. Elktroda podłączona do ujmngo napięcia będzi katodą. Katoda to lktroda dostarczająca lktronów. Druga lktroda będzi anodą. Dodatnia anoda ściąga lktrony. Katoda będzi przyciągała dodatnio naładowan jony midzi i 327 2
obdarzała j lktronami. Rakcja połówkowa na katodzi Cu 2+ + 2 - Cu. W wyniku tgo procsu na katodzi wydzila się mtaliczna midź. Elktroliza opisana jst przz prawo Faradaya: Prawo Faradaya Po przyłożniu napięcia, na lktrodac będą zacodzić następując rakcj połówkow: katoda anoda 4H + + 4-2H 2 4OH - 2H 2 O + O 2 + 4 - Zatm następować będzi lktroliza wody na wodór i tln. Masa substancji wydzilonj na skutk przpływu prądu jst proporcjonalna do ładunku, który przpłynął przz układ. Aby wydzilić 1 mol midzi, potrzbujmy 2 moli lktronów, czyli ładunku 2 faradajów. 1 faradaj = 1 mol lktronów (6*10 23 ) = 96 485,31 C Przpuszczając 1 faradaj otrzymamy 32 g (pół mola) Cu na katodzi i 8 g (ćwirć mola) O 2 na anodzi. 2 Elktroliza wody Elktrolizę wody przprowadzamy w przyrządzi zwanym woltamtrm. Przyrząd tn składa się z dwóc pionowyc rurk zaopatrzonyc w platynow lktrody i połączonyc poziomą rurką, którą mogą płynąć jony. W wyniku dysocjacji woda rozpada się albo na jon wodorowy, H +, (czyli proton) i jon wodorotlnowy, OH -, H 2 O woda H + + OH - jon jon wodorowy wodorotlnowy albo na jon ydronowy, H 3 O + i jon wodorotlnowy OH -. 2H 2 O H 3 O + + OH - (+13,7 kcal/mol) (12.4) 328 (12.3) Ta druga rakcja jst częstsza z względu na większy zysk nrgtyczny. Rys. 12.4 Elktroliza wody: po lwj - rakcja, po prawj - woltamtr. Do rozkładu wody potrzbna jst spora nrgia. Enrgię tę daj się (częściowo) odzyskać. Po pirwsz nrgia cmiczna wydzila się w trakci spalania: 2H 2 + O 2 2H 2 O + 5,9 V (12.4) W wyniku spalania otrzymujmy nrgię ciplną. Po drugi można odzyskać nrgię w postaci nrgii lktrycznj. Jśli po przrwaniu lktrolizy, do lktrod układu przyłożymy woltomirz, to pokaż on napięci. Oznacza to, ż można uzyskać nrgię lktryczna z rakcji cmicznj. Przyrząd służący do zamiany nrgii cmicznj na lktryczną nazywamy ogniwm cmicznym. 329
Ogniwa cmiczn (!) Jżli do woltamtru, w którym właśni przprowadziliśmy lktrolizę wody podłączymy woltomirz, to ukaż się, ż woltamtr daj nam napięci kilku woltów. Na lktrodac zacodzą rakcj połówkow: anoda 2H 2 4H + + 4 - katoda 2H 2 O + O 2 + 4-4OH - Jak widać, katoda to lktroda dostarczająca lktronów, a anoda odbira j. Anoda będzi miała niższy potncjał, a katoda będzi źródłm dodatnigo napięcia. W wyniku otrzymujmy nrgię lktryczną, a więc jst to ogniwo lktrocmiczn. wynosi: U Cu - U Zn = 0.337 (-0.763) = 1.1 V, co odpowiada sil lktromotorycznj ogniwa. Siła lktromotoryczna (czyli napięci) ogniwa, U SEM, jst różnicą potncjałów dwu półogniw (lktrod). Potncjał półogniwa zalży zasadniczo od potncjału lktro-cmiczngo mtalu, al tż od tmpratury i od stężnia lktrolitu. Najpopularnijsz do nidawna, klasyczn batri kiszonkow o napięciu U SEM = 1,5 V były budowan w oparciu o ogniwo Lclancégo złożon z cynkowj anody (Zn) i węglowj katody, wypłnionj lktrolitm zawirającym clork amonu, NH 4 Cl, i tlnk manganu, MnO 2. Obcni bardzo popularn są tzw. batri alkaliczn, w któryc rakcja przbiga pomiędzy cynkim, Zn, silni alkalicznym wodorotlnkim potasu, KOH i tlnkim manganu, MnO 2. Cu 2 - CuSO 4 SO 2-4 2+ Cu Zn 2+ SO 2-4 ZnSO 4 2 - Zn Rys. 12.5 Ogniwo Volty U SEM = 1,04 V 330 Potncjał lktrocmiczny: Li + -3,036 V Al 3+ -1,698 V Zn 2+ -0,763 V H + 0 Cu 2+ +0,337 V Au + +1,68 V Jdnym z najstarszyc przykładów ogniwa lktrocmiczngo jst ogniwo Volty. Składa się ono z midzianj katody i cynkowj anody zanurzonyc w roztworz siarczanu midzi. Midź wydzila się na katodzi, pobirając od nij lktrony, a cynk rozpuszcza się oddając lktrony do anody. O kirunku przbigu rakcji dcyduj fakt, ż cynk ma niższy niż midź potncjał lktrocmiczny. Różnica ta Akumulatory Akumulator lktryczny to rodzaj ogniwa cmiczngo, któr po rozładowaniu, moż być ładowan prądm lktrycznym. Akumulatory gromadzą, a późnij uwalniają nrgię lktryczną, dzięki odwracalnym rakcjom cmicznym zacodzącym pomiędzy lktrolitm i lktrodami. Przykłady: Akumulatory ołowiow (wykorzystywan w samocodac): - katoda wykonana jst z ołowiu, - anoda jst wykonana z tlnku ołowiu PbO 2, - lktrolitm jst roztwór kwasu siarkowgo, - U SEM = 2,2 V Zaltą akumulatora ołowiowgo jst zdolność uzyskania dużgo prądu oraz niska cna. Wadą jst znaczna masa przypadająca na jdnostkę pojmności. Akumulatory niklowo-kadmow (Ni-Cd) alkaliczn (popularn w drobnym sprzęci) - katoda z wodorotlnku niklu, 331
- anoda z wodorotlnku kadmu, - lktrolitm są półpłynn, silni zasadow substancj (często roztwór KOH). - U SEM = 1,2 V FPO 4 + Li + + - - - LiFPO 4 PF - 6 LiPF 6 + - C C Li + C Li C - - C C Rys. 12.6 Akumulatory Li-jonow popularn w laptopac i tlfonac komórkowyc U SEM = 3,6 V Akumulatory litowo-jonow (Li-ion), używan w laptopac i tlfonac komórkowyc - katodę stanowią sol litow, - anoda wykonana z porowatgo węgla, - rolę lktrolitu płnią rozpuszczalniki organiczn (główni węglany) z dodatkim ksafluorofosforanu litu, LiPF 6. Mają dużą pojmność, al są stosunkowo drogi. PF - 6 12.3 Elktrony w kryształac Wszystki ciała składają się z atomów. Na ogół atomy t ułożon są bardzo nirgularni tak, ż bz mikroskopu lktronowgo ni udaj się zaobsrwować ic struktury. Szczgólnym przypadkim wysokouporządkowanyc ciał są kryształy. Składają się on z atomów poukładanyc wdług okrślonyc rguł. To uporządkowani pozwala nam czasm obsrwować związki między właściwościami atomów i ciał makroskopowyc. Przdstawiając poprzdnio, w rozdzial o falac, widmo światła mitowango przz pojdyncz atomy (np. uzyskan przz odparowani pirwiastków lub prostyc soli), przkonaliśmy się, ż taki substancj mitują ściśl okrślon barwy. Dzij się tak, gdyż (zgodni z tym co było omawian na wykładzi o rzonatorac) lktrony w atomac mają ściśl okrślon częstości. Najłatwij jst obsrwować świcni czystyc gazów przy pomocy rurk Plückra. Gaz taki (w szczgólności l) jst w zasadzi zbiorm nizalżnyc atomów. Świcni atomów Przyrządy i matriały - rurki Plückra i zasilacz, -siatka dyfrakcyjna. Przbig doświadcznia Rurki Plückra mają lktrody umożliwiając przpuszczni prądu przz zamknięty w środku gaz. Pobudzony prądm lktrycznym gaz świci. Emitowan w tn sposób światło mitowan możmy rozłożyć na poszczgóln składow przy pomocy siatki dyfrakcyjnj. Dzięki tmu możmy objrzć widma świcnia gazów. 332 333
1 2 3 4 5 6 7 Rys. 12.7 Zdjęci widmo świcnia lu uzyskan z rurki Plückra Jak widać, w przciwiństwi do ciągłgo widma świcnia gorącyc ciał, gazy świcą widmami liniowymi. Ic światło zawira tylko pojdyncz, dobrz okrślon częstości (długości fal) czyli czyst barwy. Atomy świcą pojdynczymi częstościami, gdyż znajdując się w nic lktrony zacowują się jak fal w rzonatorz mogę mić jdyni pwn częstości f. Mówimy wtdy ż są w pwnyc stanac kwantowyc. Wzór Plancka wyznacza związk pomiędzy częstością f, a nrgią, E = f ( - stała Plancka). Dlatgo lktrony wwnątrz atomów są w stanac o ściśl okrślonyc nrgiac. Podstawowa krawędź absorpcji CdS Ustawiamy układ złożony z lampy ksnonowj (będącj silnym źródłm światła białgo), szczliny, pryzmatu, obiktywu i kranu, w taki sposób, aby światło na krani utworzyło tęczę o wyraźnyc barwac. Szczlinę przsłaniamy częściowo płytką wykonaną z siarczku kadmu (CdS). Na krani widzimy, ż przz CdS prznika tylko światło czrwon i żółt natomiast pozostał barwy są pocłanian. Rys. 12.8 Przcodzni światła przz CdS Fotony światła czrwongo mają najniższą nrgię, żółtgo nico wyższą, jdnak nrgia ta jst na tyl niska, ż ni wzbudza lktronów. Z powyższgo doświadcznia wynika natomiast, ż światło zilon, nibiski i fioltowa, któr ma dużą nrgię, wzbudza prawdopodobni lktrony, przz co ulga pocłonięciu i ni przcodzi przz matriał. Wyciągamy zatm wniosk, ż przz kryształ półprzwodnika przcodzą tylko fotony o nrgiac niższyc (czyli światło o większyc długościac fali) niż nrgia odpowiadająca krawędzi absorpcji. Pasma nrgtyczn w krysztal Jak to było powidzian w poprzdnim rozdzial, lktrony zamknięt w atomi mogą mić tylko pwn stany kwantow o okrślonyc nrgiac. Połączni dwóc atomów powoduj, ż liczba stanów podwaja się. Kryształ powstaj przz połączni bardzo wilu atomów w sposób nizwykl uporządkowany. Prowadzi to do powstania pasm stanów dozwolonyc, oddzilonyc pasmami zabronionymi. 334 335
atom: pojdyncz stany 2 atomy: stany rozszczpion Przykłady przrw nrgtycznyc półprzwodników: Matriał z wąską przrwą: InSb 0,18 V. Typow matriały: Si 1,1 V, GaAs 1.4 V, CdS 2,5 V. Szroko-przrwow: GaN 3,4 V, C (diamnt) 5,5 V. Rys. 12.9 Poziomy nrgtyczn w atomac i związkac cmicznyc Absorpcja w krysztal Struktura pasmowa półprzwodników jst złożona z wypłniongo lktronami pasma powstałgo z stanów wiążącyc (pasma walncyjngo) i z praktyczni pustgo pasma przwodnictwa. pasmo przwodnictwa przrwa wzbroniona pasmo walncyjn Rys. 12.10 Struktura pasmowa półprzwodników Absorpcja światła następuj wtdy, gdy padający foton ma wystarczającą nrgię do wzbudznia lktronu z pasma walncyjngo do pasma przwodnictwa. Z tj przyczyny fotony o dużj nrgii są zatrzymywan, a fotony o małj nrgii przcodzą przz półprzwodniki. 336 Enrgia [V] 5 4 3 2 1 0-1 -2 E = p 2 2m* pasmo walncyjn 337 0 pasmo przwodnictwa E g Pęd [V/c 2 ] Rys. 12.11 Struktura pasmowa kryształu przdstawiona jako zalżność nrgii od pędu. Kryształ powstaj przz połączni w rgularny sposób, bardzo wilu atomów, z któryc każdy wnosi po kilka lktronów. Elktrony z całgo kryształu zlwają się z sobą tworząc cząstki zwan kwazi-lktronami, coć często mówi się o nic po prostu jako o lktronac. Kwazilktrony to cząstki mając ładunk równy ładunkowi zwykłgo lktronu, natomiast ic nrgia ma inną zalżność od prędkości i od pędu (przykładowa zalżność przdstawiona jst na rys. 12.11), niż to jst w przypadku lktronów na zwnątrz kryształu. W najprostszy sposób można tę nową zalżność przdstawić tak, jakby lktrony w krysztal miały inną masę niż lktrony na zwnątrz. Mówimy, ż lktrony t mają pwną masę fktywną m*. Przykłady mas fktywnyc:
Matriał Cu Si InSb C (grafn) Masa fktywna 1,4 m 0,36 m 0,013 m 0 W przypadku grafnu, alotropowj odmiany węgla mającj formę pojdynczj warstwy atomów, kwazi-lktrony mają zrową masę. Zacowują się podobni jak fotony. Poruszają się z stała szybkością 10 6 m/s. 12.4 Mtal i półprzwodniki Przwodzni prądu przz mtal i półprzwodnik (!) Przyrządy i matriały - zasilacz, żarówka i przwody, - zwój drutu, - trmistor. Przbig doświadcznia po ogrzaniu lmntu półprzwodnikowgo. Wniosk: Na skutk ogrzwania opór mtalu rośni, a półprzwodnika malj. Okazuj się, z w pwnym zakrsi tmpratur opór mtalu jst proporcjonalny do tmpratury: R = αt (12.6) Przyczyną tgo są drgania cipln, któr amują ruc lktronów. W wysokic tmpraturac liczba fononów jst proporcjonalna do tmpratury i stąd opór mtalu tż jst proporcjonalny do tmpratury. Z koli spadk tmpratury prowadzi do wzrostu oporu półprzwodników. Przyczyną tgo jst zmnijszająca się liczba nośników prądu. Co prawda rucliwość zminia się podobni jak w mtalu, al zmiana liczby nośników (koncntracji n) jst znaczni szybsza, gdyż dana jst funkcją wykładniczą: n = N 0 E xp (12.7) 2k BT Wzór tn jst analogiczny do wzoru na ciśnini gazu (8.6) i pary nasyconj (8.12). Trmopara, fkt trmolktryczny Rys. 12.12 Zmiany oporu mtalu przy grzaniu i cłodzniu. Łączymy szrgowo zasilacz, żarówkę i zwój drutu. Opór drutu dobiramy tak, aby żarówka świciła, al ni płną mocą. Grzjmy zwój drutu i obsrwujmy, ż żarówka przygasa. Następni cłodzimy zwój drutu w azoci i żarówka zaczyna świcić jaśnij. Analogiczni postępujmy z obwodm, w którym zamiast drutu jst trmistor. Trmistor wykonany jst z matriału półprzwodnikowgo. Tym razm żarówka gaśni po scłodzniu trmistora, a rozświtla się 338 Trmopara jst przyrządm zbudowanym z dwóc przwodów wykonanyc z różnyc mtali, na przykład z konstantanu (stopu CuNi) i midzi. Przwody połączon są oboma końcami. W jdn z przwodów wstawiamy mirnik napięcia. Podgrzani lub oziębini powoduj powstani napięcia lktryczngo. Cząstkom znajdującym się wwnątrz substancji cmicznyc możmy przypisać pwin potncjał cmiczny. Potncjał cmiczny to w uproszczniu nrgia potncjalna lktronu (lub innj cząstki) wwnątrz jakigoś matriału. Przyjmuj on różn wartości w różnyc matriałac. Gdy połączymy dwa matriały o różnyc potncjałac nastąpi przpływ nośników (przważni lktronów). W tn sposób w jdnym 339
matrial będzi nadmiar, a w drugim nidobór nośników. Nadmiar nośników spowoduj zmianę potncjału lktryczngo i potncjały nośników wyrównają się. 0 1 + - Elktrony i dziury (!) p. przwodnictwa typ n E F- - E F typ p p. walncyjn Rys. 12.14 Zmiany potncjału w półprzwodniku domiszkowanym. Rys. 12.13 Zmiany potncjału i koncntracji w ogrzwanym mtalu. Jżli ogrzjmy jdn konic jakigoś ciała, to nośniki ładunku w tym mijscu będą się szybcij poruszać. Nośników zaczni ubywać na cipłym końcu, a przybywać na zimnym. Oznacza to, ż na zimnym końcu potncjał zminia się zgodni z znakim ładunków. Jżli podgrzjmy złącz wykonan z dwóc matriałów, to nadmiarow nośniki będą wracały do mtalu, z którgo poprzdnio ucikły. Spowoduj to zmianę potncjału i powstani napięcia trmolktryczngo. Pomiar fktu trmolktryczngo dla różnyc matriałów pokazuj, ż czasm nośniki mają znak ujmny (oczkiwany dla lktronów), a czasm dodatni. Nośniki o dodatnim ładunku nazywamy dziurami. W idalnym krysztal półprzwodnika jst tyl samo lktronów, il stanów w paśmi walncyjnym. Dodając do matriału półprzwodnikowgo pirwiastki o liczbi lktronów mnijszj niż oczkiwana dla dango matriału, wprowadzamy dziury w paśmi walncyjnym. Dziury zacowują się, jak cząstki mając ładunk dodatni. Mówimy, ż taki matriał jst typu p. Dodając pirwiastki o większj liczbi lktronów niż atomy kryształu, obsadzamy pasmo przwodnictwa. W tn sposób otrzymujmy matriał typu n. Tak więc, w półprzwodnikac mogą przwodzić zarówno niosąc ładunk ujmny lktrony jak i naładowan dodatnio dziury. Mtody otrzymywania półprzwodników Matriały półprzwodnikow muszą mić wysoką jakość, gdyż każdy dfkt moż być źródłm nipożądanyc nośników. Podstawową mtodą otrzymywania półprzwodników jst krystalizacja z ciczy. Uzyskujmy w tn sposób tak zwan kryształy objętościow. Kryształy t są cięt późnij na bardzo cinki plastry na przykład przy 300 mm śrdnicy plastr moż mić grubość 0,3 mm. 340 341
Matriały półprzwodnikow z grupy IV i grupy III-V Rys. 12.15 Hodowla kryształów zarodk kryształ cicz Najwyższą jakość kryształów uzyskuj się przy pomocy pitaksji, czyli osadzania cinkic warstw nimal atom po atomi. Mtoda ta, mimo ż jst bardzo droga, coraz częścij jst wykorzystywana w produkcji przmysłowj. Obcni znamy wil matriałów półprzwodnikowyc. Potrafimy wytworzyć między innymi półprzwodząc związki organiczn. Największ znaczni jdnak mają trzy podobn do sibi grupy matriałów: 1. Pirwiastki z IV grupy układu okrsowgo: C (diamnt), Si, G, Sn, SiC. 2. Związki pirwiastków grup III i V: AlN, GaN, GaP, GaAs, InP, InSb itd. 3. Związki pirwiastków grup II i VI: ZnO, ZnS, CdS, MgT itd. Epitaksja z wiązki molkularnj (MBE) Nowa warstwa Komora próżniowa Podłoż Grzjnik Rys. 12.17 Zapłnini wiązań w typowyc półprzwodnikac. W wyminionyc związkac na każdy atom przypadają 4 wiązania i każda para atomów ma w sumi 8 lktronów walncyjnyc. Oznacza to, ż stanów w paśmi walncyjnym jst dokładni tyl samo, co lktronów walncyjnyc. Otrzymujmy zatm matriały z wypłnionym całkowici pasmm walncyjnym i pustym zupłni pasmm przwodnictwa. Rys. 12.16 Epitaksja z wiązki molkularnj (MBE). 342 343
12.5 Elmnty lktroniczn będzi płynął prąd. Diody prostując wstawion w obwód lktryczny wymuszają w nim okrślony kirunk prądu. Podstawową strukturą lktroniczną jst złącz p-n. Pojdyncz złącz tworzy diodę, z dwóc takic złącz można zbudować tranzystor. Diody prostują prąd i świcą Najprostszą funkcją złącza p-n jst prostowani prądu. Elmnt lktroniczny wykonujący tę funkcję nazywamy diodą prostowniczą. Składa się ona z dwóc rodzajów matriałów półprzwodnikowyc jdngo typu p, a drugigo typu n. Rys. 12.19 Symbol diody i diody lktroluminscncyjnj (LED). Dioda przwodzi w kirunku wyznaczonym przz strzałkę zawartą w jj symbolu. typ p typ n p. przwodnictwa typ p Rys. 12.18 Rozkład ładunków i potncjału w złączu p-n typ n p. walncyjn Jżli do matriału typu n przyłożymy dodatni napięci (lwa strona rys. 12.20), to będzi ono przyciągało lktrony a odpycało dziury. W tj sytuacji w obszarz w pobliżu złącza zabrakni lktronów w paśmi przwodnictwa i dziur w paśmi walncyjnym. Prąd ni będzi mógł płynąć. Powimy, ż dioda ma polaryzację zaporową. Jżli do matriału typu n przyłożymy ujmn napięci (prawa strona rys. 12.20), to będzi ono pcało lktrony w kirunku obszaru typu p. W obszarz typu p lktrony zrkombinują z dziurami. Dziury do obszaru złącza będą nadpływać z przciwngo kirunku, przyciągan ujmnym napięcim obszaru n. Zatm, przz tak spolaryzowan złącz Jżli dioda jst spolaryzowana w kirunku przwodznia, to do obszaru złącza napływają w paśmi przwodnictwa lktrony, a w paśmi walncyjnym dziury. Gdy lktrony rkombinują z dziurami, wydzila się nrgia równa przrwi nrgtycznj. W wilu matriałac nrgia ta jst bzpośrdnio zaminiana na światło, a więc dioda świci. Diody świcąc - mitują światło o okrślonj barwi (długości fali) odpowiadającj szrokości przrwy nrgtycznj. Natężni prądu płynącgo przz diodę Aby przpłynąć przz złącz w diodzi lktrony muszą pokonać pwną barirę potncjału (rozkład potncjału przdstawiona na rys. 12.18). Przypomina to parowani, czyli uciczkę cząstczk z ciczy i opisan jst podobnym wzorm, w przybliżniu mającym postać: U I = I 0 xp (12.9) k BT Tak wic, natężni prądu wykładniczo zminia się z napięcim. 344 345
Zalżność napięcia od barwy dla diod święcącyc (!) Przyrządy i matriały - diody świcąc o różnyc barwac, - zasilacz i przwody, - woltomirz. Przbig doświadcznia Aby przz diodę mógł płynąć prąd, nalży przyłożyć do nij odpowidnio wysoki napięci. Napięci to potrzbn jst faktyczni do wprowadznia lktronów do pasma przwodnictwa i dziur do pasma walncyjngo. E [V] 3 2 nadfiolt UV podczrwiń IR 2,8 V 2,2 V 1,9 V 1,6 V 1,3 V Porównując napięcia potrzbn dla uzyskania krótkic fal (np. światła nibiskigo) i długic (np. światła czrwongo) zauważamy, ż im krótsza jst mitowana fala, tym wyższa jst potrzbna nrgia. Zgodni z postulatami mcaniki kwantowj, nrgia, E, potrzbna do wymitowania światła jst odwrotni proporcjonalna do długości fali, λ: c E = (12.8) λ gdzi: to stała Plancka = 6,626069 10 34 J s = 4,13566744 10 15 V s, a c to prędkość światła Tranzystor Tranzystor jst "zaworm" lktronicznym, dzięki którmu mały sygnał moż strować przpływm silngo prądu (czyli otwirać go lub zamykać). Dzięki tmu tranzystor jst tż wzmacniaczm zwiększającym moc sygnału, bo silny sygnał wycodzący z tranzystora będzi odtwarzał przbig słabgo sygnał strującgo. Źródło Bramka Drn Rys. 12.20 Enrgia fotonów i napięci na diodac Mirząc napięci potrzbn do zapalnia diod o różnyc barwac, stwirdzamy, ż przy najniższym napięciu zaczynają święcić diody czrwon (1,6-1,8 V), potm żółt (2 V) i zilon (2,3 V). Najwyższ napięci potrzbn jst do zapalnia diod nibiskic i fioltowyc (3-3,5 V). Napięci to, po pomnożniu przz ładunk daj nrgię, która jst mnij więcj równa szrokości przrwy nrgtycznj badanyc diod, a więc takż równa nrgii mitowanyc fotonów. 346 Rys. 12.21 Tranzystor polowy W tranzystorz polowym pol lktryczn pocodząc od napięcia przyłożongo do bramki odpyca lub przyciąga lktrony do kanału łączącgo źródło z drnm. Gdy kanał jst pusty ni moż przwodzić. 347
mitr baza kolktor typ n Jst to trść prawa Stoltowa, czyli pirwszgo prawa fktu fotolkryczngo. typ p 348 typ p Rys. 12.22 Tranzystor bipolarny (scmat pasm i symbol) Tranzystor bipolarny przypomina dwi diody połączon tymi samymi stronami. Możmy mić tranzystory p-n-p lub n-p-n. Napięci przyłożon do środkowj warstwy, czyli bazy dcyduj o możliwości przpływu prądu z mitra do kolktora. Obsrwując działani tranzystora zauważamy następujący problm: Dlaczgo w rurz wypłnionj wodą, woda moż płynąć, a w wypłnionym lktronami paśmi walncyjnym w krysztal, lktrony ni mogą płynąć? Dcydują o tym prawa mcaniki kwantowj. Funkcja falowa lktronów w przypadku wypłninia wszystkic stanów jst falą stojącą. Aby powstała fala bignąca, nalżałoby przjść do stanu wzbudzongo, a do tgo potrzbna jst nrgia odpowiadająca przrwi nrgtycznj. Zamiana światła na prąd (!) Aby uzyskać fotoprąd nalży: 1. Zaabsorbować foton, tak aby wzbudził on lktron do wyższgo stanu. 2. Wytworzyć pol lktryczn tak, aby lktron ni wrócił do poprzdnigo stanu, al popłynął w wybranym przz nas kirunku. Jśli wszystko działa sprawni to: Liczba wzbudzonyc lktronów powinna być równa liczbi pocłoniętyc fotonów. Fotoogniwa Fotoogniwa służą do zamiany nrgii świtlnj na lktryczną. Najprostsz fotoogniwa składają się z pojdynczgo złącza, czyli są po prostu diodami. W złączu panuj siln pol lktryczn, a więc wzbudzon w nim nośniki są natycmiast unoszon. Elktrony wędrują w jdną stronę, a dziury w przciwną, więc ni mogą zrkombinować z sobą, a za to przyczyniają się do powstania prądu lktryczngo. Obcni fotoogniwa wykorzystuj się do produkcji nrgii lktrycznj na coraz większą skalę. Na przykład, fotowoltaiczna lktrownia słonczna w Bnixama (Hiszpania) ma moc 20 MW. Składa się z 100 000 panli z ogniwami z polikrystaliczngo krzmu o łącznj powirzcni 50 a. Widmo czułości zilonj diody świcącj p. przwodnictwa typ p p. walncyjn 349 typ n Rys. 12.23 Fotodioda (scmat pasm i symbol) Fotodiody - zaminiają nrgię świtlną na lktryczną (fotoogniwa, fotodtktory). Enrgia fotonu potrzbna do wzbudznia pary lktrondziura musi być, co najmnij równa nrgii przrwy nrgtycznj w
fotodiodzi. Jst to zatm nrgia podobna do tj, jaką dioda wyświca, gdy płyni przz nią prąd. Na wykładzi sprawdzamy, ż zilona dioda świcąca jst jdnoczśni fotodiodą czułą na światło zilon. Diodę podłączoną do mirnika oświtlaliśmy światłm rozszczpionym przz pryzmat. Dioda wstawiona w strumiń światła czrwongo lub żółtgo ragowała słabo, natomiast w świtl zilonym (lub mającym większą nrgię nibiskim i fioltowym) sygnał był silny. 12.6 Podsumowani Elktrolity przwodzą ni tylko dzięki lktronom, al takż dzięki jonom, któr mogą mić ładunk dodatni lub ujmny. Ogniwa lktrocmiczn zaminiają nrgię cmiczną na nrgię lktryczną. Siła lktromotoryczna (czyli napięci) ogniwa jst różnicą potncjałów dwu półogniw (lktrod). Elktron zamknięty w atomi moż mić tylko pwn mody drgań (stany kwantow) i pwn częstości (poziomy nrgtyczn). Kryształ powstaj przz połączni bardzo wilu atomów w sposób nizwykl uporządkowany. Prowadzi to do powstania pasm stanów dozwolonyc, oddzilonyc pasmami zabronionymi. Pasma wzbronion można zobaczyć dzięki absorpcji i misji światła. Elktrony (właściwi kwazi-lktrony) w kryształac mają masy inn, niż zwykł lktrony. W paśmi walncyjnym poruszają się dziury. Dziury zacowują się jak cząstki mając ładunk dodatni. Elktrony (i dziury) w mtalac i półprzwodnikac zacowują się jak gaz. Mają podobną zalżność koncntracji, jak ciśnini w przypadku gazu oraz wykazują "rozszrzalność trmiczną" (fkt trmolktryczny). Dzięki wykładniczmu wzrostowi liczby nośników przwodnictwo półprzwodników rośni przy podgrzwaniu (w przciwiństwi do maljącgo przwodnictwa mtali). Dioda to lmnt lktroniczny, który przwodzi prąd tylko w jdną stronę. Elktrony i dziury płynąc w diodzi p-n rkombinując mogą produkować fotony. Dzięki tmu otrzymujmy diody świcąc. Tranzystor jst lmntm wzmacniającym moc i strującym prądm. Fotoogniwo jst lmntm działającym odwrotni niż dioda świcąca. W fotoogniwi fotony gnrują pary lktron-dziura, wytwarzając prąd lktryczny. 350 351