WIP grupy MD-MP i MD-A0

Fizyka

3,

semestr

zimowy

2012/2013.

Uwaga: Na kolokwium można się posługiwać własnoręcznie sporządzoną notatką na kartce A4 zapisanej po obu stronach. Wszelkie wzory,
stałe fizyczne i inne informacje mogą być zanotowane pismem odręcznym. Notatka musi być podpisana na środku kartki przez właściciela +
wolne pole na podpis wykładowcy. Notatkę należy przedstawić do akceptacji przy wpisywaniu się na listę. Wszelkie inne pomoce i ściągi,
materiały drukowane lub powielane są niedozwolone, jak również korzystanie z książek, komputerów i telefonów komórkowych.

Zagadnienia objęte kolokwium 2:
1. Właściwości światła laserowego: monochromatyczne, spójne, mała rozbieżność, duże natężenie.
2. Absorpcja oraz emisja spontaniczna i wymuszona promieniowania elektromagnetycznego.
3. Równowaga termodynamiczna atomów i promieniowania, związki między współczynnikami absorpcji i emisji.
4. Zasada działania lasera: inwersja obsadzeń, wzbudzanie atomów, rezonator optyczny.
5. Pompowanie optyczne, impulsowa akcja laserowa; laser rubinowy - układ trójpoziomowy, układ czteropoziomowy.
6. Laser helowo-neonowy: wzbudzanie zderzeniami w wyładowaniu elektrycznym, układ poziomów energetycznych.
7. Zastosowania laserów: interferometria, holografia, zapis i odczyt danych - dyski optyczne, naprowadzanie na cel.
8. Prąd elektryczny w metalach: koncentracja nośników, prędkość unoszenia, ruchliwość nośników, przewodność właściwa.
9. Powstawanie pasm energetycznych elektronów w krysztale z atomowych poziomów energii.
10. Podział ciał stałych na metale, izolatory i półprzewodniki na podstawie struktury pasm energetycznych i ich wypełnienia.
11. Zależność energii elektronu od wektora falowego, masa efektywna elektronu.
12. Opis przenoszenia ładunku przez elektrony w prawie zapełnionym paśmie jako ruch dziur.
13. Półprzewodniki samoistne, typowe wartości przerwy energetycznej. Zależność od temperatury koncentracji elektronów

w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym.

14. Domieszkowanie półprzewodników, donory i akceptory, poziomy energetyczne domieszek, półprzewodniki typu p i typu n.
15. Półprzewodnik domieszkowany: zależność od temperatury koncentracji nośników i przewodności właściwej. Obszary

samoistny, nasycenia i wymrażania nośników.

16. Zjawisko Halla, siły działające na ładunki w polu elektrycznym i magnetycznym, napięcie i stała Halla, zastosowanie do

wyznaczania znaku i koncentracji nośników ładunku.

17. Złącze półprzewodnikowe p-n. Pole elektryczne w warstwie zubożonej, bariera potencjału (napięcie dyfuzyjne).
18. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n. Przebicie złącza, dioda Zenera.
19. Struktura metal-izolator-półprzewodnik (MIS). Zasada działania tranzystora polowego MOSFET.
20. Absorpcja światła w półprzewodnikach. Przerwa energetyczna prosta lub skośna. Rekombinacja promienista i

niepromienista.

21. Dioda elektroluminescencyjna (LED). Związek między szerokością przerwy energetycznej E

g

a długością fali światła.

22. Półprzewodniki podwójne, trójskładnikowe - dobór E

g

. Zastosowania heterostruktur i heterozłączy półprzewodnikowych.

23. Lasery półprzewodnikowe, uzyskiwanie inwersji obsadzeń, prowadzenie światła.
24. Fotodiody i ogniwa słoneczne. Charakterystyka ciemna i jasna, prąd zwarcia, napięcie otwartego obwodu.
25. Wydajność przetwarzania energii przez ogniwa słoneczne. Zastosowania ogniw słonecznych.
26. Elektrolity – ładunek przenoszony przez jony w cieczach, elektrolity mocne i słabe.
27. Reakcje utleniania i redukcji na elektrodach, anoda i katoda, w ogniwie elektrochemicznym. Potencjały standardowe reakcji

– szereg elektrochemiczny.

28. Transport jonów w ciałach stałych. Zależność przewodności jonowej od temperatury.
29. Jodek srebra jako przykład przewodnika superjonowego. Przewodniki jonów tlenu.
30. Zastosowania przewodników jonowych: ogniwo litowo-jonowe, ogniwa paliwowe, czujniki stężenia tlenu.
31. Reakcje zachodzące na katodzie i anodzie w ogniwie paliwowym z membraną protonową i w ogniwie tlenkowym.
32. Napięcie odwracalne ogniwa paliwowego, zależność od temperatury.
33. Wpływ oporu wewnętrznego oraz nadnapięć elektrodowych na napięcie pracy. Sprawność ogniwa paliwowego.
34. Rodzaje ogniw paliwowych. Zastosowania ogniw paliwowych. Porównanie z innymi źródłami energii elektrycznej.

Podręczniki:
1. P.A. Tipler, R.A. Llewellyn. Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 2011.
2. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, PWN, Warszawa 2003, tom 5.
3. Jay Orear, Fizyka, WNT 1994, tom 2.
4. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, Podstawy fizyki, Oficyna Wydawnicza PW, 1997.
5. W. Jakubowski, Przewodniki superjonowe, WNT 1988.

Przykładowe pytania i zadania:

2. Jak zależy od temperatury iloczyn np koncentracji elektronów w paśmie przewodnictwa i koncentracji dziur w paśmie
walencyjnym półprzewodnika? Zapisz wzór i przedstaw tę zależność na odpowiednim wykresie.

1. Rysunek przedstawia układ pasm energetycznych
pewnego ciała stałego. Zakreskowanie oznacza stany
obsadzone przez elektrony w temperaturze 0 K. Czy jest
to izolator, przewodnik, półprzewodnik? Uzasadnij
odpowiedź.

pasmo walencyjne

pasmo przewodnictwa

energia

przerwa energetyczna 0,7 eV

3. Jak na podstawie stopnia obsadzenia i układu pasm energetycznych można klasyfikować ciała stałe?
4. Naszkicuj położenie pasm energetycznych i oblicz barierę potencjału (napięcie dyfuzyjne) krzemowego złącza p-n. Poziom
Fermiego w krzemie typu n leży 0,13 eV poniżej krawędzi pasma przewodnictwa, w krzemie typu p jest 0,08 eV powyżej
krawędzi pasma walencyjnego, przerwa energetyczna jest E

g

=1,12 eV. Jak zmieni się rysunek, gdy do złącza przyłożymy

napięcie V= -0.5 V (kierunek zaporowy) lub V= +0.5 V (kierunek przewodzenia)?
5. Opisz wybrane zastosowanie złącza p-n.
6. Przez krzemowe złącze p-n w temperaturze T=300 K płynie prąd o natężeniu I

1

=-50 nA, gdy przyłożono napięcie V

1

= -0,4 V

(polaryzacja zaporowa). Jakie jest natężenie prądu I

2

, gdy przyłożono napięcie V

2

=+0,4 V (polaryzacja przewodzenia)?

7. Prostopadłościenna płytka krzemu typu n służąca do pomiaru efektu Halla ma szerokość w=1 cm w kierunku osi y i grubość
d=0,2 mm w kierunku z. Prąd o natężeniu I=10 mA płynie w kierunku x a pole magnetyczne o indukcji B=0,2 T jest przyłożone
w kierunku z. Napięcie Halla zmierzone między ściankami prostopadłymi do osi y jest V

H

=0,03 V. Wyznacz koncentrację

elektronów w paśmie przewodnictwa.
8. Jak opisuje się prąd niesiony przez elektrony w niemal zapełnionym paśmie za pomocą dziur? Jakie są ich właściwości
(ładunek, masa)?
9. Przerwa energetyczna jest E

g

=1,12 eV w krzemie, E

g

=0,67 eV w germanie. Oba półprzewodniki nie są domieszkowane.

a) W którym z półprzewodników koncentracja nośników w temperaturze pokojowej jest większa?
b) Czy większa jest koncentracja elektronów czy koncentracji dziur jest w każdym z półprzewodników?
10. Próbkę krzemu domieszkowano fosforem (5 elektronów walencyjnych). Które ze stwierdzeń są prawdziwe?
a) Liczba dziur w paśmie walencyjnym zmalała; b) Opór właściwy wzrósł; c) Próbka stała się elektrycznie naładowana;
d) Przerwa energetyczna zmniejszyła się; e) Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa wzrosła.
11. Dioda świecąca wykonana z półprzewodnika GaAsP emituje światło czerwone. Gdy patrzysz przez kryształ tego
półprzewodnika na białą kartkę to widzisz kartkę: a) czerwoną, b) niebieską; c) białą; d) kryształ nie jest przezroczysty.
12. Jaka jest największa długość fali światła, które wzbudzi elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa:
a) diamentu E

g

=5,5 eV? b) krzemu E

g

=1,12 eV? c) arsenku galu E

g

=1,5 eV? d) siarczku kadmu E

g

=2,4 eV?

Do jakiej części widma elektromagnetycznego należy to światło?
13. Narysuj schemat poziomów energetycznych wybranego typu lasera. Zaznacz między którymi poziomami następuje
wzbudzenie atomów a między którymi emisja wymuszona światła laserowego.
14. Wymień warunki, jakie powinny być spełnione aby nastąpiła emisja laserowa.
15. Zgodnie ze znaczeniem akronimu LASER jest wzmacniaczem światła. Jak zachodzi zwiększenie energii wiązki światła
w laserze?
16. Różnica energii między poziomem podstawowym a poziomem wzbudzonym atomów pewnego gazu odpowiada energii
fotonu o długości fali

λ=650 nm. W naczyniu znajduje się 6×10

23

atomów w temperaturze T=300 K. Ile spośród tych atomów

znajduje się w stanie wzbudzonym?
17. Pręt lasera rubinowego ma średnicę D = 8 mm i długość l = 60 mm. Rubin jest kryształem Al

2

O

3

, w którym 0,03%

cząsteczek stanowi domieszka Cr

2

O

3

. Gęstość rubinu jest

ρ = 4 g/cm

3

, masa molowa M = 102 g/mol. Oszacuj maksymalną

energię wypromieniowaną w impulsie tego lasera, który emituje światło o długości fali

λ = 694 nm. Załóż całkowitą inwersję

obsadzeń poziomów energetycznych atomów chromu.
18. Laser He-Ne wytwarza wiązkę światła o długości fali

λ = 633 nm i mocy 5 mW. Ile fotonów emituje laser w ciągu sekundy?

19. Większą sprawność zamiany entalpii spalania na energię elektryczną uzyskuje się w ogniwach paliwowych z membraną
przewodzącą protony (PEFC) czy w tlenkowych ogniwach paliwowych (SOFC)? Rozważ wpływ temperatury pracy ogniwa.
20. Naszkicuj wykres charakterystyki prądowo-napięciowej ciemnej i jasnej ogniwa słonecznego. Jak należy dobrać opór
odbiornika energii, aby czerpać maksymalną moc z ogniwa?
21. Jakie cechy ogniwa litowo-jonowego sprawiają, że służy do zasilania urządzeń przenośnych ?
22. Tranzystor polowy wykonany jest na podłożu z półprzewodnika typu p. Co to jest warstwa inwersyjna, gdzie i w jakich
warunkach jest ona utworzona? Wyjaśnij za pomocą rysunku.
23. Podaj przykład dobrego przewodnika jonowego. Jakie cząstki są nośnikami ładunku w tym ciele stałym? Jak należy
zakwalifikować przewodnik jonowy ze względu na przewodzenie prądu przez elektrony (metal, izolator, półprzewodnik)?
24. Porównaj tlenkowe ogniwo paliwowe SOFC i ogniwo paliwowe z membraną polimerową przewodzącą protony PEFC.
Zapisz reakcje zachodzące na elektrodach, jeśli paliwem jest wodór. Które z tych ogniw paliwowych może być zasilane innym
paliwem niż wodór?
25. Oblicz prędkość unoszenie elektronów w drucie miedzianym o promieniu r=0,3 mm, gdy płynie prąd o natężeniu I=5 A.
Gęstość miedzi d=8,93 g/cm

3

, masa molowa M=63,5 g/mol, liczba Avogadro N

A

=6,02

×10

23

mol

-1

.

26. Przewodność właściwa miedzi w temperaturze pokojowej jest

σ=5,9×10

7

Ω

-1

m

-1

. Korzystając z danych poprzedniego

zadania oblicz średni czas między zderzeniami elektronów. Przyjmując, że średnia prędkość ruchu chaotycznego elektronów jest
<v>=1,6

×10

6

m/s, oblicz średnią drogę swobodną.

27. Jak ze wzrostem temperatury zmienia się opór właściwy miedzi a jak krzemu?
28. Pasek folii aluminiowej (pierwiastek glin) o szerokości b=3 cm i grubości d=0,05 mm umieszczono w polu magnetycznym o
indukcji B=1,2 T skierowanej prostopadle do płaszczyzny paska. Po włączeniu prądu o natężeniu I=5 A zmierzono napięcie
Halla w poprzek paska V

H

=4

µV. Jaka jest koncentracja nośników ładunku w glinie? Ile elektronów swobodnych przypada na

każdy atom glinu?
29. Ogniwo słoneczne z siarczku kadmu dostarcza prąd, gdy długość fali światła padającego jest mniejsza niż 484 nm. Co na tej
podstawie można powiedzieć o przerwie energetycznej w CdS?