Materia skondensowana
Ciała stałe: kryształy, polikryształy, ciała bezpostaciowe
Atomy w krysztale ułożone są w
powtarzający się regularny wzór zwany
sieciÄ… krystalicznÄ…
Polikryształy ciała zbudowane z bardzo
wielu malutkich kryształków.
Ciała niekrystaliczne (np. szkło)
uporzÄ…dkowanie atomowe nie rozciÄ…ga siÄ™ na
duże odległości.
Kryształy:
Położenia cząstek (atomów) w sieci:
R = n1a + n2b + n3c
a, b, c  wektory translacji, n1, n2, n3 - dowolne liczby całkowite
1
Komórki elementarne - sieci Bravais'go
14 sposobów takiego wypełnienia przestrzeni
1. Układ sześcienny
1.1 sieć prosta
1.2 sieć centrowana
objętościowo
1.3 sieć centrowana
płasko
2. Układ tetragonalny
3. Układ rombowy
4. Układ jednoskośny
5. Układ trójskośny
6. Układ
romboedryczny
7. Układ
heksagonalny
Poziomy energetyczne w ciałach stałych
Zbliżamy atomy tworzymy sieć krystaliczną
Dwa atomy Cu w dużej odległości
Zewnętrzne orbitale nakładają się (przekrywają się funkcje
falowe zewnętrznych elektronów)
Atomy  nie widzÄ… siÄ™ chmury
Zamiast 2 niezależnych atomów mamy układ 2-atomowy
elektronowe sÄ… odseparowane
zawierający 2*29 = 58 elektronów
Kwantowo funkcje falowe elektronów Zakaz Pauliego każdy elektron w innym stanie kwantowym
nie przekrywajÄ… siÄ™
W sieci N atomowej każdy poziom energetyczny rozdziela się na
Każdy atom ma taki sam rozkład 29
N poziomów (N jest rzędu 1024 )!!! Tworzą się pasma
elektronów na powłokach
energetyczne oddzielone przerwami energetycznymi.
2
Widmo energetyczne
pojedynczego atomu i kryształu.
Pasma o niższej energii są węższe
Energia
stany
puste
E
stany
zapełnione
R(A) Przekrywanie chmur elektronowych
0 5 10 15 20
(funkcji falowych) zależy od odległości
między orbitalami.
Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie położonych stanów
elektronów.
Energia
Poziom Fermiego; najwyższa energia którą
stany puste
mogą mieć elektrony w przewodniku w
temperaturze 0K
stany
zapełnione
Pasmo przewodnictwa; istniejÄ… wolne
poziomy energetyczne: elektrony mogÄ… 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 przewodzÄ… prÄ…du
3
Rozkład Fermiego Diraca  prawdopodobieństwo uzyskania przez elektron
określonej energii E.
1
fn (E) =
1+ e( E-µ )/kT
µ - potencjaÅ‚ chemiczny,
dla którego fn= ½
1
fn (E) =
1+ e( E-EF )/kT
µ = EF dla T = 0K
µ H" EF dla T > 0K
Szerokość pasm energetycznych i położenie poziomu Fermiego określa
większość własności elektronowych materiału
Napięcie kontaktowe po zetknięciu dwóch metali
Elektrony znajdujące się w materiale o wyższym poziomie Fermiego mają większą energię
niż elektrony w materiale o niższej energii Fermiego. Zetkniecie obu materiałów powoduje
więc ruch elektronów, który ustanie dopiero po wyrównaniu się poziomów Fermiego w obu
materiałach. Materiał, z którego odeszły elektrony będzie miał ładunek dodatni , a materiał
do którego przeniknęły elektrony będzie miał ładunek ujemny.
4
Pasma metali i półprzewodników (izolatorów)
pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa
puste częściowo zapełnione
Opór wÅ‚aÅ›ciwy Á w zależnosci od
Á
Á
Á
Krzem Eg = 1.2 eV
temperatury
Diament Eg = 5.5 eV
Własności półprzewodników,
Półprzewodniki
Np. german i krzem IV grupa układu okresowego (4
samoistne
elektrony walencyjne).
Wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach
więc brak jest elektronów swobodnych.
Wzbudzenia (np. termicznie) elektronu walencyjnego staje
się on swobodnym elektronem przewodnictwa w powłoce
walencyjnej powstaje puste miejsce po elektronie nazywane
dziurÄ….
1 EF - E
dla elektronów:
fn(E) = H" expëÅ‚ öÅ‚
÷Å‚
F
1+ e(E-E )/kT ìÅ‚ kT
íÅ‚ Å‚Å‚
1 ëÅ‚ - EF öÅ‚
E
f (E) = H" exp
dla dziur: p ÷Å‚
F
1+ e-(E-E )/kT ìÅ‚ kT
íÅ‚ Å‚Å‚
gdy EF / kT << 1
5
Domieszkowanie półprzewodników
półprzewodnik typu n
(donorowe): domieszka
pierwiastka o wyższej
wartościowości
Si + P:
Eg = 1.2 eV
Ed = 0.045 eV
półprzewodnik typu p
(akceptorowe): domieszka
pierwiastka o niższej
wartościowości
Si + Al:
Eg = 1.2 eV
Ea = 0.067 eV
Zastosowania półprzewodników:
1) Dioda - złącze p - n
Ruch nośników większościowych (elektronów i dziur)
przez złącze tworzy prąd dyfuzji Idyf w złączu tworzy się
przestrzenny rozkład ładunku.
Z rozkładem przestrzennym ładunku związana jest
różnica potencjałów V0 , która działa jako bariera dla
nośników większościowych.
Różnica potencjałów V0 nie przeszkadza przepływowi
ładunków mniejszościowych prąd dryfu Iu (unoszenia).
W stanie równowagi Idyf = Iu Iwyp. = 0
6
polaryzacja w kierunku zaporowym polaryzacja w kierunku przewodzenia
Zwiększona wysokość
Zmniejszona
bariery potencjału V0
wysokość bariery
prąd nośników
potencjału V0 prąd
większościowych maleje.
nośników
większościowych
rośnie.
Mały, wypadkowy prąd
Duży, wypadkowy
wsteczny IB płynie przez
prąd IF płynie
złącze
przez złącze
Różnica potencjałów V0 nie wpływa na przepływ ładunków mniejszościowych prąd unoszenia nie
zmienia.
Charakterystyka diody
7
2) Dioda LED -dioda elektroluminescencyjna
Przy silnym domieszkowaniu bardzo duża gęstość
elektronów w  n i dziur w  p
warstwa zaporowa bardzo wÄ…ska (rzÄ™du µ
µm)
µ
µ
wiele procesów rekombinacji elektron - dziura
emisja światła
3) Laser półprzewodnikowy  LED z emisją wymuszona
Lasery wytwarzane na azotku galu emitują światło
w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebiesko-
zielonego (370-500 nm),
Dioda LED, laser
półprzewodnikowy
Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w
Instytucie Wysokich Ciśnień PAN, służy do
budowy niebieskich laserów
CD
8
4) Tranzystor bipolarny
tranzystor pnp
dioda do której
dołączono obszar p
(kolektor)
Vb w kierunku przewodzeni duży prąd (dziurowy)
z emitera do bazy
Baza jest bardzo cienka 99% dziur przechodzi do kolektora,
1% wypływa z bazy (Ibe).
² = Ike / Ibe
współczynnik wzmocnienia prądu
W typowych tranzystorach ² = 100.
Na wejściu tranzystora prąd Ibe (sygnał zmienny o danej charakterystyce)
na wyjściu tranzystora prąd Ike o takiej samej charakterystyce ale 100 razy silniejszy.
5) Tranzystor polowy
Zasada działania tranzystora polowego złączeniowego
 JFET (junction gate field-effect transistor):
a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie siÄ™ warstwy zaporowej w wyniku
przyłożonego napięcia UDS, c) odcięcie kanału (Y), d) nasycenie
tranzystora, Up = UGsoff  napięcie odcięcia kanału
dren (ang. drain, ozn. D); z
ródło (ang. source, ozn.
S) oraz bramka (ang. gate, ozn. G)
Tranzystory z izolowanÄ… bramkÄ… MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)
9
6) FLASH MEMORY (Pen Drive)
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)
lub
To jaki układ dwustanowy wybierze się do reprezentacji pamięci zależy od
trzech czynników:
pamięć magnetyczna
gęstości upakowania tych układów
szybkości dostępu (zapisu i odczytu)
pamięć
ceny półprzewodnikowa
6) FLASH MEMORY (Pen Drive)  cd.
MOSFET tranzystor z dodatkowÄ… bramkÄ… :
float gate
D
S 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
Kasowanie
Zapis informacji:
informacji:
Duże dodatnie
Duże ujemne
napięcie
napięcie
przyłożone do CG
przyłożone do CG
powodujÄ…
powodujÄ…
Å‚adowanie
tunelowanie
elektronami FG
elektronów z FG
do podłoża
Odczyt informacji:
(przy odczycie
Ujemny Å‚adunek na FG zapobiega
kanał się otworzy)
otwarciu kanału przy odczycie
10
ZAPIS INFORMACJI - DYSK MAGNETYCZNY
Konstrukcja: kilka obracających się wspólnie
talerzy wykonanych ze stopu aluminium lub ze
szkła i pokrytych materiałem magnetycznym oraz
warstwami ochronnymi. CiÄ…gle obracajÄ…ce siÄ™
głowica
talerze (do 15 tyś obrotów na min), umożliwiają
cylinder
szybkie odszukanie odpowiedniego miejsca na dysku
i zapis informacji.
Pierwszy dysk twardy (1956 r.) zawierał 50
krążek
talerzy (o średnicy 60 cm) pokrytych tlenkiem
żelaza. Miał bardzo duże rozmiary i ważył około 1
tony. Pozwalał na zapisanie 5 mln znaków.
oÅ›
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.
MATERIAA
MAGNETYCZNY
11
DYSK MAGNETYCZNY  ZAPIS INFORMACJI
GA
OWICA INDUKCYJNA
mid-1980s Seagate ST-251,
GÅ‚owica indukcyjna oparta o
technologiÄ™ cienkowarstwowa
INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA;
Względny ruch przewodnika i pola
magnetycznego wywołują w tym przewodniku
powstanie siły elektromotorycznej i przepływ
Prawo Faradaya: Indukowana siła
prÄ…du.
elektromotoryczna wywołana
zmianÄ… pola magnetycznego jest
V
równa szybkości zmian strumienia
V
magnetycznego: :
dÅšB
V
µ = -
dt
12
GIGANTYCZNY MAGNETOOPÓR GMR
Elektrony majÄ… spin: moment magnetyczny.
moment
Spin
Mały
magnetyczny
elektronu
opór
przewodnika
Duży opór
GA
OWICA MAGNETOOPOROWA
Namagnesow
Warstwa
ane obszary
Ruch talerza
swobodna
(sensor)
0
przewodnik
Duży opor
Warstwa
zaczepiona
(referencyjna)
1
Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym
wartośc logiczną "1": namagnesowanym tak samo
Mały
jak warstwa zaczepiona, to warstwa swobodna
opór
magnesuje się też równolegle do zaczepionej
Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym
wartośc logiczną "0": namagnesowanym
przeciwnie do warstwy zaczepionej, to warstwa
Duży
swobodna magnesuje się też przeciwnie do
opór
zaczepionej
13
POJEMNOŚĆ DYSKU MAGNETYCZNEGO
O gęstości zapisu i odczytu informacji
mówi głównie rodzaj głowicy
14