Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Podobne dokumenty
Podstawy fizyki wykład 4

Elektryczne własności ciał stałych

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

Teoria pasmowa ciał stałych

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Podział ciał stałych ze względu na strukturę atomowo-cząsteczkową

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

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

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Laboratorium inżynierii materiałowej LIM

Przerwa energetyczna w germanie

Absorpcja związana z defektami kryształu

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Właściwości kryształów

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

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

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Elementy teorii powierzchni metali

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Struktura pasmowa ciał stałych

Stany skupienia materii

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Elektryczne własności ciał stałych

Rozszczepienie poziomów atomowych

Podstawy krystalografii

Fizyka Ciała Stałego

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

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

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

Elektryczne własności ciał stałych

Przyrządy półprzewodnikowe

Atomy wieloelektronowe

Czym jest prąd elektryczny

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

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

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Budowa ciał stałych. sieć krystaliczna układy krystalograficzne sieć realna defekty wiązania w ciałach stałych

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

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

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

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Różne dziwne przewodniki

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Materiały i technologie w elektrotechnice i elektronice wykład I

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

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

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

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

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Zasady obsadzania poziomów

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

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

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

30/01/2018. Wykład XI: Właściwości elektryczne. Treść wykładu: Wprowadzenie

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Struktura materiałów. Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka.

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

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

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

LABORATORIUM Z FIZYKI

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Badanie charakterystyki diody

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Ładunki puszczamy w ruch. Wykład 12

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

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu skaroll@fizyka.umk.pl

Natężenie prądu elektrycznego

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład 9 Wprowadzenie do krystalochemii

P R A C O W N I A

Wykład 39 Elementy fizyki ciała stałego

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

Ładunki puszczamy w ruch. Wykład 12

Transkrypt:

Fizyka 2 wykład 13 Janusz Andrzejewski

Scaledlugości Janusz Andrzejewski 2

Scaledługości Simple molecules <1nm DNA proteins nm red blood cell ~5 µm (SEM) diatom 30 µm bacteria 1 µm nm µm m 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 SOI transistor width 0.12µm semiconductor nanocrystal (CdSe) 5nm Nanometer memory element (Lieber) 10 12 bits/cm 2 (1Tbit/cm 2 ) Circuit design Copper wiring width 0.2µm IBM PowerPC750 TM Microprocessor 7.56mm 8.799mm 6.35 10 6 transistors Janusz Andrzejewski 3

Dlaczego fizyka ciała stałego jest ważna? Piasek (głównie SiO 2 ) Krzem Płytka krzemowa Procesor Janusz Andrzejewski 4

Postęp Pierwszy tranzystor 1947 Tranzystor Intela 2009 Janusz Andrzejewski 5

Rodzaje substancji Ciało stałe - atomy są ułożone obok siebie tworząc sztywną strukturę. Tworzą one uporządkowaną strukturę, o zasięgu lokalnym lub globalnym Ciecz atomy ułożone są obok siebie ale nie tworzą sztywnej struktury. Gas atomy ułożone są luźno wypełniają całą dostępną przestrzeń Janusz Andrzejewski 6

Struktura ciał stałych - krystaliczne, o uporządkowanym ułożeniu atomów lub molekuł tworzącym regularny wzór zwany siecią krystaliczną, - polikrystaliczne, zbudowane z bardzo wielu malutkich kryształków. Janusz Andrzejewski 7

Struktura ciał stałych - amorficzne, wykazujące brak uporządkowania w dalekim zakresie, ale lokalnie Wykazują pewien stopień uporządkowania. Nie tworzą struktur periodycznych (powtarzających się) Ograniczmy się do ciał krystalicznych! Janusz Andrzejewski 8

Struktura krystaliczna ciał stałych Janusz Andrzejewski 9

Struktura ciała stałego Ciała stałe możemy sklasyfikować zgodnie z trzema podstawowymi właściwościami elektrycznymi: Opór elektryczny właściwy w T = 300 K: [ρ]=[ω*m] Temperaturowy współczynnik oporu: α = (1/ρ)(dρ/dT) [α] =[K -1 ] Koncentracja nośników ładunku: [n] = [m -3 ] Janusz Andrzejewski 10

Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy jonowe Takie kryształy składają się z trójwymiarowego naprzemiennego ułożenia dodatnich i ujemnych jonów. W kryształach jonowych nie ma swobodnych elektronów, które mogłyby przenosić ładunek lub energię, więc kryształy jonowe są złymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Janusz Andrzejewski 11

Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy atomowe(kowalencyjne) Składają się z atomów połączonych ze sobą parami wspólnych elektronów walencyjnych. Przykładem mogą być kryształy składające się z atomów z IV grupy układu okresowego, takich jak C, Si Ge. Janusz Andrzejewski 12

Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy metaliczne Elektrony w kryształach metalicznych poruszają się w całym krysztale, są więc wspólne dla wszystkich jonów. Kryształy metaliczne są dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Janusz Andrzejewski 13

Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy cząsteczkowe(molekularne) Składają się ze stabilnych cząsteczek, które zachowują wiele swoich cech indywidualnych, nawet przy zbliżaniu ich do siebie. Siły wiążące cząsteczki to słabe siły van der Waalsa, takie jakie istnieją pomiędzy neutralnymi cząsteczkami w fazie gazowej (dla gazów rzeczywistych). Te kryształy są podatne na odkształcenia oraz ze względu na brak elektronów swobodnych są bardzo złymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Janusz Andrzejewski 14

Defekty sieci krystalicznej Janusz Andrzejewski 15

Domieszki (defekty punktowe) Janusz Andrzejewski 16

Defekty liniowe (dyslokacje) Janusz Andrzejewski 17

Bardzo ważnym defektem strukturalnym jest powierzchnia kryształu, na której urywa się periodyczna struktura sieci krystalicznej. Powierzchnia kryształu jest narażona na oddziaływanie otoczenia; na jej powierzchni gromadzi się (zostają zaabsorbowane) znaczne ilości obcych atomów. Defekty sieci krystalicznej, a szczególnie obce atomy, w zasadniczy sposób wpływają na właściwości fizyczne, zwłaszcza elektryczne i optyczne ciał stałych. Współczesne sposoby oczyszczania nie pozwalają na uzyskanie substancji zawierających mniej niż 10 9 % domieszek, tzn. około 10 17 atomów domieszkowych w 1 m 3. Najbardziej czułe na obce domieszki są półprzewodniki, w których wprowadzenie nawet bardzo małych ilości pewnych pierwiastków (np. 1 atom na miliard atomów własnych) może spowodować wzrost przewodności elektrycznej o kilka rzędów wielkości. Janusz Andrzejewski 18

Elektrony w ciałach stałych powstawanie pasm jako punkt wyjścia przyjmujemy funkcje falowe i zdegenerowane poziomy energetyczne pojedynczych atomów w wyniku zbliżania atomów następuje rozszczepienie poziomów w pasma i ewentualne przekrywanie (zlewanie) szerokość pasma zależy od przekrywania odpowiednich funkcji falowych głęboko leżące poziomy są nieznacznie poszerzone i zachowują swój atomowy charakter Janusz Andrzejewski 19

Zapełnianie pasm przez elektrony Pod względem charakteru zapełnienia pasm przez elektrony możemy podzielić wszystkie ciała na trzy grupy: izolatory i półprzewodniki -niższe pasma całkowicie zapełnione, wyższe poczynając od pewnego, całkowicie puste metale proste -nad całkowicie zapełnionymi pasmami istnieje pasmo zapełnione częściowo metale z pasmami nakładającymi się -najwyższe całkowicie zapełnione pasmo, zachodzi na położone nad nim najniższe pasmo puste, wtedy oba zapełniają się częściowo Janusz Andrzejewski 20

Metale Przewodnictwo elektryczne metali Janusz Andrzejewski 21

Nadprzewodnictwo Odkryte w 1911r. przez KammmerlinghOnnes apodczas badania opór elektrycznego rtęci w niskich temperaturach. Poniżej temperatury krytycznej 4,2 K opór elektryczny spada do zera. Zerowy opór oznacza, że elektrony płyną przez nadprzewodnik bez strat energii -prąd wzbudzony w nadprzewodzącym pierścieniu płynie przez wiele lat bez dodatkowego zasilania. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe materiały ceramiczne, które stają się nadprzewodnikami w stosunkowo wysokich temperaturach (rzędu 125 K). Janusz Andrzejewski 22

Nadprzewodnictwo Zjawisko Meissnera Jeżeli nadprzewodnik ochłodzony do temperatury niższej od temperatury T k zostanie umieszczony w polu magnetycznym, to linie indukcji magnetycznej nie przenikają przezeń, ale go omijają. Janusz Andrzejewski 23

Półprzewodniki -samoistne Janusz Andrzejewski 24

Półprzewodniki typu n Janusz Andrzejewski 25

Półprzewodniki typu p Janusz Andrzejewski 26

Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku Janusz Andrzejewski 27

Półprzewodniki Janusz Andrzejewski 28

Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe Janusz Andrzejewski 29

Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe Janusz Andrzejewski 30

Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe 10 nm InAs/InP Janusz Andrzejewski 31

Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe InAs/GaAs In 0.6 Ga 0.4 As/GaAs Janusz Andrzejewski 32

Kwantowy efekt Halla Janusz Andrzejewski 33

Kwantowy efekt Halla Janusz Andrzejewski 34

Całkowity i ułamkowy Janusz Andrzejewski 35

Grafen Janusz Andrzejewski 36

Grafen Samochłodzące się tranzystory Dla grafenu: K 5000 W/mK (!) Miedź: 400 W/mK Diament: 2000 W/mK Nanorurki: 3500 W/mK Janusz Andrzejewski 37

Nanorurki węglowe 0.8 nm Janusz Andrzejewski 38