2. Scharakteryzuj podstawowe rodzaje wiązań chemicznych w ciele stałym.

Podaj przykłady substancji, w których dominują poszczególne rodzaje wiązań.

Metaliczne - np. sód, potas, glin. - Przewodniki elektryczne

Jonowe - np. NaCl, AgJ, Libr - Izolatory elektryczne

Ef - leży w środku przerwy energetycznej.

Wiązania kowalencyjne - np. Diament, Krzem, german - Prawie wszystkie półprzewodniki.

Wspólne pary elektronów

W niskich temperaturach są izolatorami natomiast w wysokich dobrymi przewodnikami

4. Co jest poziom Fermiego?

Poziom Ferniego to górna granica stanów obsadzonych w OK.

5. Napisz funkcję rozkładu Fermiego-Diraca..
n - stopień obsadzenia stanu elektronowego.

6. Naszkicuj funkcję Fermiego-Diraca w pobliżu poziomu Fermiego, gdy a) T=0 K, b) T>OK.

7. Podaj definicję pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa.

Pasmo walencyjne - Najwyższe pasmo całkowicie obsadzone w OK.

Pasmo przewodnictwa - najniższe nie całkowicie obsadzone pasmo w OK.

8. Przedstaw modele pasmowe dla metalu, izolatora, półprzewodnika samoistnego. Na rysunkach zaznacz położenie poziomu Fermiego. Skomentuj rysunki.

Dla metalu:

Izolatory (diament, kwarc)

Półprzewodnik samoistny (krzem)

9. Jaki jest związek struktury pasmowej ciała stałego z właściwościami elektrycznymi? Uzasadnij odpowiedź na przykładach metali, izolatorów i półprzewodników.

Wartość Eg ma wpływ na przewodność. W izolatorach ta odległość jest największa i elektrony nie mogą przechodzić miedzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa. W półprzewodnikach ta odległość jest mniejsza i jest to możliwe. W przewodnikach elektrony zbliżone do poziomu Ferniego mogą się łatwo poruszać.

10. Na czym polega domieszkowanie półprzewodników?

Domieszkowanie polega na wprowadzaniu do macierzystego kryształu domieszek, zwykle jest to około 10^-5-10^-4 atomów domieszki w stosunku do macierzystego.

14. Narysuj i objaśnij model pasmowy diody półprzewodnikowej.

15. Jakie prądy przepływaj ą w warunkach równowagi (tzn. bez przyłożonego napięcia zewnętrznego) przez obszar złącza p-n. Jaki jest wypadkowy prąd w takim złączu? Skomentuj odpowiedź

Dyfuzyjne - elektronów z obszarów n do p i dziur z p do n (prądy związane z nośnikami większościowymi)

Termiczne - (związane z ruchem nośników mniejszościowych elektrony z obszaru p do n i dziury z obszaru n do p

Wypadkowy prąd jest równy 0

16. Narysuj zależność prądu płynącego przez złącze p-n od przyłożonego napięcia. Wyjaśnij przyczyny tej zależności.

17. Podaj i krótko opisz przykłady praktycznych zastosowań złącz p-n.

Podstawowa część przyrządów półprzewodnikowych, (diody, tranzystory, tyrystory)

19. Jak działa dioda świecąca (LED)?

Złącze p-n polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Duża ilość elektronów przechodzi z obszaru n do p. Jest wówczas dużo elektronów w paśmie przewodnictwa i dużo w paśmie walencyjnym. Może zajść rekombinacja elektronów z dziurami. Energia powstała wskutek rekombinacji jest emitowana w postaci fali świetlnej.

NADPRZEWODNICTWO

20. Na czym polega zjawisko nadprzewodnictwa? Podaj przykłady nadprzewodników. Co to są nadprzewodniki wysokotemperaturowe?

Zjawisko nadprzewodnictwa - polega na zanikaniu oporu elektrycznego. Przy pewnej temperaturze opór spada nagle do zera (patrz wykres)

Przykłady nadprzewodników:

Hg - Tc=4,2K

Sn - Tc=3,8K

Gdzie Tc - temperatura przejścia w stan nadprzewodzący.

Nadprzewodnictw wysokotemperaturowe - to takie nadprzewodnictwo, które zachodzi powyżej temperatury ciekłego azotu. Zostało odkryte w ceramice:

YBa₂Cu₃O₇

21. Opisz zjawisko Meissnera (diamagnetyzm nadprzewodników)

Jeżeli nadprzewodnik znajduje się w polu magnetycznym, to odpycha on pole magnetyczne (i sam jest odpychany. Poniżej przykłady jak zachowują się Paramagnetyki, Ferromagnetyki, Diamagnetyki i Nadprzewodniki:

Praktyczne zastosowania - Np. lekki magnes może się unosić nad nadprzewodnikiem.

22. Jaki jest mechanizm przewodzenia w nadprzewodnikach według teorii BCS?

Podstawowym nośnikiem w nadprzewodnikach nie są ani elektrony ani dziury, ale para elektron-elektrton. Są one sprzężone przez drgania sieci krystalicznej. Jest to tzw. „Para Coopera”.

Gdy w sieci krystalicznej pojawi się elektron, ładunki dodatnie się przyciągną i nastąpi deformacja sieci. Tą deformacje się rozchodzi. Elementarne drgania sieci krystalicznej można uważać za cząstke tzw „quasi cząstke” - fonon.

23. Podaj przykłady zastosowania nadprzewodników.

Nadprzewodniki znalazły zastosowanie w tzw. Złączach Josephssona.

Wykorzystuje one efekt tunelowy w nadprzewodnikach. Złącza Josephsona znalazły zastosowanie w medycynie, - ponieważ są bardzo czułe na zmiany pola magnetycznego używa je się do diagnozy procesów zachodzących w mózgu. (detektor SQUID). Złącza Josephssona są także wykorzystywane do wyznaczania bardzo dokładnie niektórych stałych fizycznych (e,m).

LASERY

24. Omów zjawisko absorpcji optycznej, emisji spontanicznej i emisji wymuszonej. Zrób rysunki.

Absorpcja

Jeżeli na elektron w stanie podstawowym padnie goton, to gdy energia tego fotonu będzie równa odległości między stanami energetycznymi, to może zajć zjawisko pochłonięcia fotonu i elektron przejdzie na wyższy stan. (z E1 na E2)

hυ=E₂-E₁

Emisja spontaniczna

Gdy elektron jest w stanie wzbudzonym to ma określony czas życia, aż spadnie na poziom podstawowy. Emituje wówczas foton o energii

hυ≅E₂-E₁

Emisja wymuszona

Gdy elektron jest w stanie wzbudzonym i oświetlimy ten układ fotonami, to gdy foton przechodzi obok elektronu, elektron przechodzi w stan podstawowy i powstają dwa identyczne fotony. Dal każdego fotonu energia wynosi:

hυ=E₂-E₁

Zjawisko takie zachodzi dla dowolnych dwóch poziomów (mogą być daleko od siebie). Światło może być różne, można za pomocą tego efektu wzmocnić różne długość fal.

25. Narysuj i skomentuj układ poziomów elektronowych sprzyjających akcji laserowej.

Z zasady Heisenberga wiadomo, że rozmycie energetyczne zależy od czasu życia. Jeżeli stan jest krótko trwały, to rozmycie jest większe. Gdy elektron spada na poziom podstawowy to emitowana energia jest nieokreślona. Elektron może jednak spać także na stan metatrwały. Gdy będzie spadał potem z stanu metatrwałego to emitowana energia jest ściśle określona.

26. Przedstaw kolejne etapy akcji laserowej. Zrób odpowiedni rysunki.

1)Pompowanie optyczne (absorpcja) - czyli przejście elektronu do stanu wzbudzonego krótkożyciowego. (np. za pomocą lampy błyskowej)

2)Przejście elektronu ze stanu krótkożyciowego na stan metatrwały (cześć elektronów spadnia na poziom podstawowy a część na metatrwały)

3)Emisja wymuszona, - Gdy elektron spadnie z poziomu metatrwałego, pojawią się fotony o energii równej E₃-E₂. W efekcie z jednego fotonu powstaną 2, z dwóch 4 itd. Mamy wtedy lawinowe wzmocnienie światłą. Wszystkie fotony są identyczne.

27. Co to jest inwersja obsadzeń? Co to jest pompowanie optyczne?

Inwersja obsadzeń - ma miejsce, gdy na poziomie metatrwałym jest więcej elektronów niż na poziomie podstawowym.

Pompowanie optyczne - Wymuszone przejście elektronów ze stanu podstawowego na wzbudzony za pomocą lampy błyskowej.

28. Narysuj schemat ideowy działania lasera. Skomentuj funkcje poszczególnych składowych układu.

Lampa błyskowa - ma za zadanie „pompowanie optyczne” (źródło fotonów)

Rezonatory optyczne (zwierciadła) - zwiększają efektywność wzmocnienia. Warunek - muszą być od siebie odległe o całkowitą wielokrotność fali świetlnej, aby powstała w układzie fala stojąca. Zwierciadło półprzepuszczalne - przepuszcza wzmocnione, spolaryzowane, spójne światło. Zwierciadło odbijające - odbija fotony w celu wzmocnienia i spolaryzowania. Fotony odbijają się w tym układzie wielokrotnie.

Rubinowy cylinder - Źródło elektronów

29. Podaj przykłady układów laserowych.

Typ lasera Przykład Obszar średni Zastosowanie

Gazowe He-Ne Czerwony (633nm) Mała moc, demon

CO2 Pod czerwień Duża moc, cięcie stali

Ar Zielony

Rubinowe Czerowny (694nm) Już nie używany

YAG YAG Podczerwień, lub widzialne. Pokazy laserowe. Z różnymi dodatkami różne kolory

Półprzewodnikowe, na złączach p-n Ga-As Czerwony Są bardzo małe, czytniki CD, elektornika

Ga-N Niebieski

Barwnikowe Rhodamina B 540-650 nm Badania naukowe

Są jeszcze lasery emitujące promieniowanie gamm, rentgenowskie, nadfioletowe.

1

---