1

Materia skondensowana

Ciała stałe: kryształy, polikryształy, ciała bezpostaciowe

Ciała niekrystaliczne

(np. szkło)

uporz

ą

dkowanie atomowe nie rozci

ą

ga si

ę

na

du

ż

e odległo

ś

ci.

Atomy w

krysztale

uło

ż

one s

ą

w

powtarzaj

ą

cy si

ę

regularny wzór zwany

sieci

ą

krystaliczn

ą

Polikryształy

ciała zbudowane z bardzo

wielu malutkich kryształków.

c

b

a

R

3

2

1

n

n

n

+

+

=

a, b, c –wektory translacji, n

1

, n

2

, n

3

- dowolne liczby całkowite

Kryształy:

Położenia cząstek (atomów) w sieci:

2

Komórki elementarne - sieci Bravais'go

1. Układ sze

ś

cienny

1.1 sie

ć

prosta

1.2 sie

ć

centrowana

obj

ę

to

ś

ciowo

1.3 sie

ć

centrowana

płasko

2. Układ tetragonalny

3. Układ rombowy

4. Układ jednosko

ś

ny

5. Układ trójsko

ś

ny

6. Układ

romboedryczny

7. Układ

heksagonalny

14 sposobów takiego wypełnienia przestrzeni

Dwa atomy Cu w dużej odległości

Każdy atom ma taki sam rozkład 29
elektronów na powłokach

Atomy „nie widzą się”

chmury

elektronowe są odseparowane

Kwantowo

funkcje falowe elektronów

nie przekrywają się

Poziomy energetyczne w ciałach stałych

Zbliżamy atomy

tworzymy sieć krystaliczną

Zewnętrzne orbitale

nakładają się

(przekrywają się funkcje

falowe zewnętrznych elektronów)

Zamiast 2 niezależnych atomów mamy

układ 2-atomowy

zawierający 2*29 = 58 elektronów

Zakaz Pauliego

każdy elektron w innym stanie kwantowym

W sieci N atomowej każdy poziom energetyczny rozdziela się na
N poziomów

(N jest rzędu 10

24

)

!!!

Tworzą się

pasma

energetyczne

oddzielone

przerwami energetycznymi

.

3

R(A)

E

0

5

10

15

20

Energia

stany
puste

stany
zapełnione

Przekrywanie chmur elektronowych
(funkcji falowych) zale

ż

y od odległo

ś

ci

mi

ę

dzy orbitalami.

Pasma o ni

ż

szej energii s

ą

w

ęż

sze

Widmo energetyczne
pojedynczego atomu i kryształu.

Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie poło

ż

onych stanów

elektronów.

Pasmo przewodnictwa;

istniej

ą

wolne

poziomy energetyczne: elektrony mog

ą

do

nich przej

ść

, co oznacza,

ż

e przewodz

ą

pr

ą

d

Pasmo walencyjne;

je

ś

li wszystkie dozwolone

poziomy energetyczne s

ą

zaj

ę

te, to elektrony,

mimo ich ruchu, nie przewodz

ą

pr

ą

du

Przerwa wzbroniona;

elektrony nie mog

ą

mie

ć

energii z tego zakresu

Poziom Fermiego;

najwy

ż

sza energia któr

ą

mog

ą

mie

ć

elektrony w przewodniku w

temperaturze 0K

Energia

stany puste

stany
zapełnione

4

Szeroko

ść

pasm energetycznych i poło

ż

enie poziomu Fermiego okre

ś

la

wi

ę

kszo

ść

własno

ś

ci elektronowych materiału

(

)/

1

( )

1

n

E

kT

f E

e

µ

−

=

+

Rozkład Fermiego Diraca –

prawdopodobie

ń

stwo uzyskania przez elektron

okre

ś

lonej energii E.

0

0

F

F

E

dla

T

K

E

dla

T

K

µ
µ

=

=

≈

>

µ

−

potencjał chemiczny,

dla którego

f

n

= ½

(

)/

1

( )

1

F

n

E E

kT

f E

e

−

=

+

Napi

ę

cie kontaktowe po zetkni

ę

ciu dwóch metali

Elektrony znajduj

ą

ce si

ę

w materiale o wy

ż

szym poziomie Fermiego maj

ą

wi

ę

ksz

ą

energi

ę

ni

ż

elektrony w materiale o ni

ż

szej energii Fermiego. Zetkniecie obu materiałów powoduje

wi

ę

c ruch elektronów, który ustanie dopiero po wyrównaniu si

ę

poziomów Fermiego w obu

materiałach. Materiał, z którego odeszły elektrony b

ę

dzie miał ładunek dodatni , a materiał

do którego przenikn

ę

ły elektrony b

ę

dzie miał ładunek ujemny.

5

Pasma metali i półprzewodników (izolatorów)

pasmo przewodnictwa
cz

ęś

ciowo zapełnione

pasmo przewodnictwa
puste
Krzem E

g

= 1.2 eV

Diament E

g

= 5.5 eV

Opór wła

ś

ciwy

ρρρρ

w zale

ż

nosci od

temperatury

Np. german i krzem

IV grupa układu okresowego (4

elektrony walencyjne).

Wszystkie elektrony walencyjne bior

ą

udział w wi

ą

zaniach

wi

ę

c brak jest elektronów swobodnych.

Wzbudzenia

(np. termicznie) elektronu

walencyjnego

staje

się on swobodnym elektronem

przewodnictwa

w powłoce

walencyjnej powstaje puste miejsce po elektronie nazywane

dziurą

.

Półprzewodniki
samoistne

Własno

ś

ci półprzewodników

,

(

)/

1

( )

exp

1

F

F

n

E E

kT

E

E

f E

e

kT

−

−





=

≈





+





(

)/

1

( )

exp

1

F

F

p

E E

kT

E

E

f

E

e

kT

− −

−





=

≈





+





dla elektronów:

dla dziur:

/

1

F

gdy

E

kT

<<

6

półprzewodnik typu n
(donorowe): domieszka
pierwiastka o wyższej
wartościowości

Si + P:
E

g

= 1.2 eV

E

d

= 0.045 eV

półprzewodnik typu p
(akceptorowe): domieszka
pierwiastka o niższej
wartościowości

Si + Al:
E

g

= 1.2 eV

E

a

= 0.067 eV

Domieszkowanie półprzewodników

1) Dioda - zł

ą

cze p - n

Ruch no

ś

ników

wi

ę

kszo

ś

ciowych

(elektronów i dziur)

przez zł

ą

cze tworzy

pr

ą

d dyfuzji I

dyf

w zł

ą

czu tworzy si

ę

przestrzenny rozkład ładunku.

Z rozkładem przestrzennym ładunku zwi

ą

zana jest

ró

ż

nica potencjałów V

0

, która działa jako

bariera

dla

no

ś

ników wi

ę

kszo

ś

ciowych.

Ró

ż

nica potencjałów V

0

nie przeszkadza przepływowi

ładunków

mniejszo

ś

ciowych

pr

ą

d dryfu I

u

(unoszenia)

.

W stanie równowagi I

dyf

= I

u

I

wyp.

= 0

Zastosowania półprzewodników:

7

Zwiększona

wysokość

bariery potencjału V

0

prąd nośników

większościowych maleje

.

Mały, wypadkowy prąd
wsteczny I

B

płynie przez

złącze

polaryzacja w kierunku zaporowym

Różnica potencjałów V

0

nie wpływa na przepływ ładunków

mniejszościowych

prąd unoszenia nie

zmienia

.

Zmniejszona

wysokość bariery
potencjału V

0

prąd

nośników
większościowych
rośnie

.

Duży, wypadkowy
prąd I

F

płynie

przez złącze

polaryzacja w kierunku przewodzenia

Charakterystyka diody

8

2) Dioda LED -dioda elektroluminescencyjna

Przy silnym domieszkowaniu

bardzo du

ż

a g

ę

sto

ść

elektronów w „n” i dziur w „p”

warstwa zaporowa bardzo w

ą

ska (rz

ę

du

µµµµ

m)

wiele procesów rekombinacji elektron - dziura

emisja

ś

wiatła

Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w

Instytucie Wysokich Ci

ś

nie

ń

PAN, słu

ż

y do

budowy niebieskich laserów

Lasery wytwarzane na azotku galu emituj

ą

ś

wiatło

w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebiesko-

zielonego (370-500 nm),

3) Laser półprzewodnikowy – LED z emisj

ą

wymuszona

Dioda LED, laser

półprzewodnikowy

CD

9

tranzystor pnp
dioda do której
doł

ą

czono obszar p

(kolektor)

V

b

w kierunku przewodzeni

du

ż

y pr

ą

d (dziurowy)

z emitera do bazy

Baza jest bardzo cienka

99% dziur przechodzi do kolektora,

1% wypływa z bazy (I

be

).

be

ke

/ I

I

=

β

współczynnik wzmocnienia pr

ą

du

W typowych tranzystorach

β

= 100.

Na

wej

ś

ciu

tranzystora pr

ą

d I

be

(sygnał zmienny o danej charakterystyce)

na

wyj

ś

ciu

tranzystora pr

ą

d I

ke

o takiej samej charakterystyce ale 100 razy silniejszy.

4) Tranzystor bipolarny

Zasada działania tranzystora polowego złączeniowego
– JFET (junction gate field-effect transistor):

a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie się warstwy zaporowej w wyniku
przyłożonego napięcia U

DS

, c) odcięcie kanału (Y), d) nasycenie

tranzystora, Up = UGsoff – napięcie odcięcia kanału

5) Tranzystor polowy

dren (ang. drain, ozn. D);

ź

ródło (ang. source, ozn.

S) oraz bramka (ang. gate, ozn. G)

Tranzystory z izolowan

ą

bramk

ą

MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)

10

ZAPIS BITOWY INFORMACJI

Najbardziej rozpowszechniony zapis informacji:

bit - postać zero-jedynkowa: dowolny układ ma dwa możliwe stany i jeden
z nich traktowany jest jako "1", a drugi "0". (Bajt to 8 bitów)

pamięć magnetyczna

pamięć

półprzewodnikowa

lub

To jaki układ dwustanowy wybierze się do reprezentacji pamięci zależy od

trzech czynników:

gęstości upakowania tych układów
szybkości dostępu (zapisu i odczytu)
ceny

6) FLASH MEMORY (Pen Drive)

MOSFET tranzystor z dodatkową bramką :
float gate

S

D

Zwykła bramka: kontroluje
przepływ prądu S-D

Bramka pływająca: można tu gromadzić
ładunek (który nie zmienia się latami);
obecność tego ładunku zmienia wartość
napięcia progowego G wyzwalającego
przepływ prądu

Zapis informacji:

Duże dodatnie
napięcie
przyłożone do CG
powodują
ładowanie
elektronami FG

Kasowanie
informacji:

Duże ujemne
napięcie
przyłożone do CG
powodują
tunelowanie
elektronów z FG
do podłoża
(przy odczycie
kanał się otworzy)

6) FLASH MEMORY (Pen Drive) – cd.

Odczyt informacji:

Ujemny ładunek na FG zapobiega
otwarciu kanału przy odczycie

11

ZAPIS INFORMACJI - DYSK MAGNETYCZNY

głowica

cylinder

krążek

oś

Konstrukcja: kilka obracających się wspólnie
talerzy wykonanych ze stopu aluminium lub ze
szkła i pokrytych materiałem magnetycznym oraz
warstwami ochronnymi. Ciągle obracające się
talerze (do 15 tyś obrotów na min), umożliwiają
szybkie odszukanie odpowiedniego miejsca na dysku
i zapis informacji.

Pierwszy dysk twardy (1956 r.) zawierał 50
talerzy (o średnicy 60 cm) pokrytych tlenkiem
żelaza. Miał bardzo duże rozmiary i ważył około 1
tony. Pozwalał na zapisanie 5 mln znaków.

Dysk o średnicy rzędu 10 cm, mieści do 70 GB
danych i obraca się z prędkością rzędu 10000
obrotów na minutę. Najnowsze dyski mają
pojemności rzędu TB.

Odległość pomiędzy głowicą, a powierzchnią
talerza wynosi 15 nm tj. 5000 razy mniej
niż średnica ludzkiego włosa.

MATERIAŁ MAGNETYCZNY

12

DYSK MAGNETYCZNY – ZAPIS INFORMACJI

GŁOWICA INDUKCYJNA

mid-1980s Seagate ST-251,

V

V

V

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA;

Względny ruch przewodnika i pola

magnetycznego wywołują w tym przewodniku

powstanie siły elektromotorycznej i przepływ

prądu.

Prawo Faradaya: Indukowana siła

elektromotoryczna wywołana

zmianą pola magnetycznego jest

równa szybkości zmian strumienia

magnetycznego: :

dt

d

B

Φ

−

=

ε

Głowica indukcyjna oparta o

technologię cienkowarstwowa

13

GIGANTYCZNY MAGNETOOPÓR GMR

Elektrony mają spin: moment magnetyczny.

Spin

elektronu

moment

magnetyczny

przewodnika

Mały

opór

Duży opór

GŁOWICA MAGNETOOPOROWA

Ruch talerza

Namagnesow

ane obszary

Duży opor

Warstwa

swobodna

(sensor)

przewodnik

Warstwa

zaczepiona

(referencyjna)

Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym
wartośc logiczną "1": namagnesowanym tak samo

jak warstwa zaczepiona, to warstwa swobodna

magnesuje się też równolegle do zaczepionej

Mały

opór

Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym

wartośc logiczną "0": namagnesowanym

przeciwnie do warstwy zaczepionej, to warstwa

swobodna magnesuje się też przeciwnie do

zaczepionej

1

0

Duży

opór

14

POJEMNOŚĆ DYSKU MAGNETYCZNEGO

O gęstości zapisu i odczytu informacji

mówi głównie rodzaj głowicy