ELEKTRONY W MATERII
SKONDENSOWANEJ
1. Pasma energetyczne
2. Metale i półprzewodniki
3. Półprzewodniki domieszkowe
4. Złącze p-n: dioda
5. Tranzystor złączowy
6. Tranzystor polowy FET
7. Mikroskop tunelowy
POZIOMY ENERGETYCZNE
E
E
n=3
atom wodoru
n=2
n=2
n=1
nieskończona
studnia potencjału n=1
Każdy prosty układ ma dyskretne stany energetyczne
Odległości możliwych stanów energetycznych zależą od potencjału w którym
poruszają się elektrony
E
E
x
E
energia
potencjalna
krysztal
Czym więcej oddziałujących atomów, tym stany energetyczne elektronów są mniej  ostre
Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie położonych stanów elektronów
PASMA ENERGETYCZNE
E
E
x
E
energia
potencjalna
Czym więcej oddziałujących atomów, tym stany energetyczne elektronów są mniej  ostre
Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie położonych stanów elektronów
Energia
stany puste
pasmo
E
przewodnictwa
stany zapełnione
pasmo
walencyjne
R(A)
Struktura pasmowa ciała stałego
0 5 10 15 20
STRUKTURA PASMOWA CIAA
A STAA
EGO
Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie położonych stanów elektronów
Energia
Poziom Fermiego; najwyższa energia którą mogą mieć
stany puste
elektrony
stany
pasmo przewodnictwa; istnieją wolne poziomy energetyczne:
zapełnione
elektrony mogą do nich przejść, co oznacza, że przewodzą
prąd
Przerwa wzbroniona; elektrony nie mogą mieć energii z tego
zakresu
pasmo walencyjne; jeśli wszystkie dozwolone poziomy
energetyczne są zajęte, to elektrony, mimo ich ruchu, nie
przewodzą prądu
Szerokość pasm energetycznych i położenie poziomu Fermiego określa większość
własności elektronowych materiału
PASMA METALI I PÓA
PRZEWODNIKÓW
pasmo
pasmo
przewodnictwa
przewodnictwa
puste
częściowo
zapełnione
półprzewodnik,
metal
lub izolator
R
R
T
T
Półprzewodnik przewodzi prąd tylko w
Metal o doskonałej sieci krystalicznej
wysokich T, w których elektrony przejdą
przewodzi prąd bez oporu; każde odstępstwo
z pasma walencyjnego do pasma
od doskonałego ułożenia powoduje
przewodnictwa
rozpraszanie elektronów: opór elektryczny.
PÓA
PRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Przewodzące elektronów (lub dziury) mogą być utworzone przez domieszkowanie
niewielką ilością pierwiastka o innej wartościowości
półprzewodnik typu n: domieszka
Si
Si+4 Si
pierwiastka o wyższej
wartościowości
e- Si
As+5
Si
Si Si
półprzewodnik typu n: ruchliwy
Si
Si Si
elektron w paśmie przewodnictwa
półprzewodnik typu p: domieszka
Si+4 Si
Si
pierwiastka o niższej
wartościowości
Si
Si
Si Si
+
półprzewodnik typu p: ruchliwa
dziura w paśmie walencyjnym
In+3
Si
Si Si
W półprzewodnikach domieszkowych w temperaturze pokojowej prawie wszystkie
domieszki są zjonizowane: spore przewodnictwo dziurowe (typ p), lub elektronowe (typ n)
PÓA
PRZEWODNIKI p i n, T=0
energia
pasmo przewodnictwa
(puste)
poziom donorowy
(łatwo go opróżnić)
poziom akceptorowy
(łatwo go zapełnić)
pasmo walencyjne
(pełne)
półprzewodnik typu n:
półprzewodnik typu p:
PÓA
PRZEWODNIKI p i n, T>0
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
półprzewodnik typu n:
półprzewodnik typu p:
ruchliwe elektrony w
ruchliwe dziury w
paśmie
paśmie walencyjnym
przewodnictwa
W wyniku podgrzania elektrony z poziomu donorowego przechodzą do pasma przewodnictwa
W wyniku podgrzania elektrony z poziomu donorowego przechodzą do pasma przewodnictwa
W wyniku podgrzania elektrony pasma walencyjnegow paśmie walencyjnym
W wyniku podgrzania tworzą sięzprzewodzące dziury przechodzą do poziomu akceptorowego
ZA

CZE p-n, T>0
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
półprzewodnik typu n:
półprzewodnik typu p:
ruchliwe elektrony w
ruchliwe dziury w
paśmie
paśmie walencyjnym
przewodnictwa
Ciśnienia gazów elektronowego i dziurowego wyrównują się dopóty, dopóki nie pojawi
się napięcie hamujące dalszą migrację elektronów /dziur
ZA

CZE p-n, T>0
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
półprzewodnik typu n:
półprzewodnik typu p:
ruchliwe elektrony w
ruchliwe dziury w
paśmie
paśmie walencyjnym
przewodnictwa
ZA

CZE p-n, T>0
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
półprzewodnik typu n:
półprzewodnik typu p:
ruchliwe elektrony w
ruchliwe dziury w
paśmie
paśmie walencyjnym
przewodnictwa
Ponieważ z n odpływają elektrony, a z p dziury, to napięciem hamującym dalszą
migrację elektronów /dziur jest napięcie elektryczne na złączu
ZA

CZE p-n, POLARYZACJA PRZEWODNICTWA
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
zewnętrzne napięcie w
kierunku
przewodzenia
Obniżenie napięcia z zewnątrz zwiększa prąd przez złącze: polaryzacja w kierunku
przewodzenia
ZA

CZE p-n, POLARYZACJA ZAPOROWA
energia
pasmo przewodnictwa
poziom donorowy
poziom akceptorowy
pasmo walencyjne
zewnętrzne napięcie w
kierunku zaporowym
Podwyższenie napięcia z zewnątrz zmniejsza prąd przez złącze: polaryzacja w
kierunku zaporowym
SPOLARYZOWANE ZA

CZE p-n
Wpływ zewnętrznego napięcia przyłożonego do złącza na prąd (patrzymy tylko na prąd
dziurowy: prąd elektronów zachowuje się tak samo)
polaryzacja w kierunku
V
przewodzenia
V-"V
p n
_
+
duży prąd
polaryzacja w kierunku
V
zaporowym
V+"V
p n
+
_
mały prąd
prą
d
złącze p-n działa jak prostownik:
przepuszcza prąd tylko w jednym
dioda
napięcie
kierunku
TRANZYSTOR
emiter baza kolektor
p
p n
Tranzystor p-n-p nie
spolaryzowany
V
emiter-baza: w kierunku
p
p n
IE przewodzenia �! duży prąd dziur,
IC
silnie zależny od VB
IB VC
VE
baza: bardzo cienka�! dziury
VB
przelatują do kolektora, IB bardzo
mały
V
kolektor: duży prąd dziur, silnie
-
VB
zależny od VB
-
tranzystor może wzmacniać prąd:
niewielki prąd IB wywołuje duży
VC (100 krotny) prąd kolektora
-
sterowanie prądem przy pomocy prądu bazy
TRANZYSTOR POLOWY FET
USD
S-source
USG=0
D-drain
G-gate
S
G
ID
D
ID
SiO2
USG=0�!płynie prąd elektronowy
ID
Al
Si
typu n
USD
USG
USG<0 nadmiar e na G wypychanie e z Si w
pobliżu G
S
ten obszar nie przewodzi prądu prąd ID
G
ID
D
ID
mniejszy
SiO2
Al
sterowanie prądem przy pomocy pola
Si
elektrycznego
typu n
TECHNIKI NANOSZENIA CIENKICH WARTSW: MBE
Materiał odparowuje się, a pary osiadają na podłożu tworząc cienką warstwę. Sposób
podgrzewania materiału wyjściowego jest obojętny, lecz wzrost warstwy niesłychanie
silnie zależy od środowiska i temperatury podłoża.
EPITAKSJA Z WI
ZEK
MOLEKULARNYCH (MBE)
MBE pozwala na wytwarzanie cienkich,
monokrystalicznych warstw
półprzewodnika na monokrystalicznym
podłożu, np GaAs jak tez materiały z grup
III/V i II/VI tj. tam, gdzie doskonałej
jakości cienkie warstwy z kontrolą
powierzchni do 1 warstwy atomowej są
nieodzowne do zadziałania współczesnych
struktur elektronicznych.
" próżnia: 5*10-10hPa (brak zderzeń w czasie transportu atomów)
" grubość warstwy: od jednej monowartwy atomowej
" prostoliniowe dojście od podłoża do komórek efuzyjnych (o kontrolowanej T)
" pomiar  in situ wszystkich ważniejszych parametrów warstwy.
TUNELOWANIE (1)
Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne
Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na to nie
pozwala
TUNELOWANIE (2)
V0
V(x)
Swobodny elektron o energii E
E
pada z lewej strony na  barierę
potencjału o wysokości V
Mimo małej energii elektron może
przedostać się poza barierę. 0 d x
Prawdopodobieństwo przedostania
część rzeczywista funkcji falowej
wynosi:
2
|�|2 duża |�|2 mała
D = D0 �"exp�ł- 2m(V0 - E)dłł
�ł śł
h
�ł �ł
Zmiana szerokości a bariery może
bardzo silnie zmienić natężenie prądu
tunelujacych elektronów
Szerokość bariery / nm
rozpad
tunelowanie
Prąd tunelowania / nA
SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY:
napięcia sterujące
element
piezoelektrykiem
piezoelektryczny
: sterowanie
system
wzmacniacz
kontroli
odległością od
prądu
odległości i
próbki i
tunelowego
skanowania
skanowaniem
opracowanie danych i
Próbka
napięcie wyświetlanie wyniku
tunelowe
mikroskop
SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY: OBRAZY
Żelazo na Cu (111)
Żelazo na Cu (111)
Różne stadia przygotowania  zagrody
NANOELEKTRONIKA
-miniaturyzacja
nanotranzystor
-większa precyzja w kształtowaniu
na rurce
stanów elektronowych
fullerenowej
-inne stany elektronowe
bramkizolat napięcie
z
ródło
a sterujące
dren
or
tranzystor
przepływ prądu tranzystor
polowy
zatkany przewodzi
przepływ
podkład
prądu
napięcie
cząsteczka o 3 pierścieniach
sterujące
benzenowych użyta jako zloto
tranzystor: asymetryczne
węgiel tlen
fragmenty (azotek węgla i
nanotranzystor
azot
tlenek azotu) pozwalają na
wodor
skręcenie cząstki
siarka
umożliwiając przepływ prądu
przepływ prądu
złoto
NANOMECHANIKA
Natura wykorzystuje maszynerie o rozmiarach pojedynczych atomów i o atomowej
precyzji: każda komórka ciała pełna jest atomowych maszyn: białek, DNA, RNA itd. Każda
z tych maszyn jest doskonała aż do poziomu pojedynczych atomów, do tego stopnia, ze
zmiana położenia jednego atomu może spowodować katastrofę. Ale też zmiana położenia
jednego atomu może naprawić coś co było zepsute.
zderzenie tryby