ELEKTRONY W MATERII
SKONDENSOWANEJ
1. Poziomy i pasma energetyczne
2. Metale i półprzewodniki
3. Półprzewodniki domieszkowe
4. Złącze p-n: dioda
5. Tranzystor złączowy
6. Tranzystor polowy FET
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
Czym więcej oddziałujących atomów, tym stany energetyczne elektronów są mniej  ostre
POZIOMY ENERGETYCZNE ELEKTRONÓW W
KRYSZTALE
Jak opisać poziomy energetyczne układu wielu atomów: kryształu
Odległości możliwych stanów energetycznych zależą od potencjału w którym
poruszają się elektrony
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
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
METALE: POWIERZCHNIE FERMIEGO
z
kz
h2 h2
V="
Ek = (kx 2 + ky 2 + kz 2 ) = k2
2m 2m
Ą Ą Ą Ą Ą Ą
y
Lz
V=0
kx �" (- , ), ky �" (- , ), kz �" (- , )
Lx Lx Ly Ly Lz Lz
ky
kx
Lx
x
Ly
Powierzchnia Fermiego dla elektronów w
Model metalu: 3 wymiarowa
nieskończonej studni potencjału jest
nieskończona studnia potencjału
kulą
Fe
Na Cu
PASMA METALI I PÓA
PRZEWODNIKÓW
T=0
pasmo
pasmo
przewodnictwa
przewodnictwa
puste
częściowo
zapełnione
półprzewodnik,
metal
lub izolator
R
R
T>0
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 pierwiastka o wyższej
wartościowości
Si + P: Eg = 1.2 eV; Ed = 0.045 eV
P
półprzewodnik typu n: ruchliwy
elektron w paśmie przewodnictwa
półprzewodnik typu p: domieszka
pierwiastka o niższej
wartościowości
Al
Si + Al: Eg = 1.2 eV; Ea = 0.067 eV
półprzewodnik typu p: ruchliwa
dziura w paśmie walencyjnym
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
prąd
złącze p-n działa jak prostownik:
przepuszcza prąd tylko w jednym
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<0 nadmiar e na G wypychanie e z Si w
USG
pobliżu G
ten obszar nie przewodzi prądu prąd ID
S
mniejszy
G
ID
D
ID
SiO2
Al
sterowanie prądem przy pomocy pola
Si
elektrycznego
typu n