Úvod do moderní fyziky. lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

Transkript

1 Úvod do moderní fyziky lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

2 krystalické pevné látky pevné látky, jejichž atomy jsou uspořádány do pravidelné 3D struktury zvané mřížka, každý atom je vázán ke svým sousedům dvouelektronovou kovalentní vazbou vodiče, polovodiče, izolanty dle vlastností rezistivita, teplotní součinitel rezistivity, koncentrace nosičů elektrického náboje kovy vs. polovodiče menší rezistivita, větší koncentrace nosičů náboje, opačná závislost rezistivity na teplotě

3 pásová struktura pevných látek malá vzdálenost atomů vlnové funkce elektronů se vzájemně překrývají (především u vnějších elektronů) vysoký počet atomů elektrony musí být každý v jiném kvantovém stavu, obrovské množství elektronů vytvoří obrovské množství energiových hladin, které splývají a vytváří pásy (mohou se i překrývat) v nanofyzice (velmi malé rozměry krystalu, malé množství atomů) možnost existence diskrétních hladin a větší vzdálenost mezi pásy

4 izolátor vs. kov pro zjištění vedení elektrického proudu se elektrony musí přesunout do vyšších (neobsazených) energiových hladin zakázaný pás je u izolantů mnohem větší než střední kinetická energie elektronu při pokojové teplotě u vodičů stačí přesun v rámci pásu, který není plně obsazen Fermiho energie nejvyšší obsazená hladina při T=0 K (elektrony mají při Fermiho energii tzv. Fermiho rychlost, tzn. ani při absolutní nule neustává veškerý pohyb) izolátory a polovodiče rozlišujeme podle šířky zakázaného pásu

5 obsazenost hladin pro T > 0 K platí Fermi-Diracova statistika Fermiho energie je energie kvantového stavu, který má pravděpodobnost 50%, že bude obsazen

6 polovodiče nosiče náboje elektrony, díry malé množství elektronů přeskočí do vodivostního pásu při vyšší teplotě jich přeskočí více snižuje se rezistivita (narozdíl od vodiče kde se zvyšuje v důsledku chaotického pohybu elektronů)

7 dotované polovodiče (a) typ n příměs s elektronem navíc donor (např. fosfor v křemíku) (b) typu p příměs s chybějícím elektronem akceptor (např. hliník v křemíku)

8 p-n přechod a diodový usměrňovač v okolí roviny přechodu p-n dochází k difuzi elektronů a děr, vzniká tzv. ochuzená zóna bez pohyblivých nosičů náboje (hradlová vrstva) závěrný směr (b) rozšíření ochuzené zóny, prochází velmi malý závěrný proud způsobený minoritními nosiči náboje propustný směr (a) zúžení ochuzené zóny, velký propustný proud

9 plus použití filtračního kondenzátoru, který vyhlazuje tzv. tepavé napětí

10 LED diody (light-emitting) elektron ze dna vodivostního pásu spadne do díry (rekombinuje) u vrcholu valenčního pásu, uvolní se energie rovna šířce zakázaného pásu (v mnoha polovodičích Si, Ge, a další ve formě kmitů mřížky, u některých např. Ga dotované arsenem a fosforem ve formě fotonu) děje se tak v úzké ochuzené zóně (tloušťka i několik μm) u p-n přechodu při zapojení v propustném směru (zajišťuje přísun elektronů a děr pro rekombinaci) v praxi realizováno velmi tenkou vrstvou polovodiče typu p, přes kterou může procházet světlo bílé LED skládání barev a využití luminoforu látka pohlcující energii a zpět ji vyzařující ve forme světla

11 další typy diod fotodioda osvětlením vhodně uspořádaného p-n přechodu začne procházet proud (fotoelektrický jev přechod elektronu z valenčního do vodivostního pásu) voltampérová charakteristika fotodiody, při osvětlení proud v závěrném směru fotodioda PIN mezi vrstvu PN přechodu vložena vrstva minimálně dopovaného polovodiče (PIN přechod) s velkou elektrickou pevností (až 500 V), rychlejší reakce na změny osvětlení (10-12 až s, jinak 10-6 až 10-9 s) laserové diody při dostatečně vysokém proudu PN přechodem může dojít k populační inverzi elektronů (více jich je ve vodivostním než ve valenčním pásu), pokud jsou protilehlé roviny krystalu s přechodem PN rovinné a rovnoběžné, může se světlo uvnitř krystalu mnohonásobně odrážet stimulovaná emise

12 tranzistor MOSFET tranzistor = obecně polovodičová součástka schopna zesilovat nebo zapínat/vypínat elektrický signál MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) = polem řízený tranzistor složení: lehce dotovaný polovodič typu p (křemík) - substrát, ostrůvky silně dotovaného polovodič typu n (D drain kolektor, S source - emitor) spojené tenkým kanálkem tvořeným středně dotovaným polovodičem, nad ním tenká vrstva izolantu (např. oxid křemíku) a hradlo (G gate) funkce: záporné napětí na hradle vytváří elektrické pole, které odpuzuje elektrony z kanálu do substrátu (zvětšuje šířku ochuzené zóny), při určité hodnotě napětí přestane (téměř) zcela procházet proud, při nulovém nebo kladném napětí proud prochází