1.Rysunek przedstawia energetyczny model pasmowy ciał stałych dla przewodników, półprzewodników i izolatorów (dielektryków). Szare słupki symbolizują pasmo walencyjne, czyli dozwolone energie elektronów mogących tworzyć i tworzących wiązania między atomami/cząsteczkami ciała stałego. Na czerwono zaznaczone są energie Fermiego. Zielona linia symbolizuje minimalną energię jaką musi posiadać elektron, aby móc brać udział w procesie przewodzenia prądu (móc być nośnikiem prądu, tzw. swobodnym elektronem, czyli praktycznie niezwiązanym z macierzystym atomem/cząsteczką). Żółte prostokąty symbolizują przedział energii, których elektrony nie mogą przyjmować (pasmo wzbronione).

a) Co rozumiesz pod pojęciem „energia Fermiego”?

b) Jaką specyficzną cechę mają wiązania metaliczne, w której z trzech wymienionych grup substancji występują i jaki to ma skutek dla zdolności przewodzenia prądu ciał stałych z tej grupy?

c) Dlaczego w półprzewodnikach i izolatorach pod pasmem przewodzenia występuje pasmo wzbronione? Czy wiązania występujące w ciałach stałych z tych dwóch grup mają taką samą cechę (istotną z punktu widzenia przewodzenia prądu) co wiązania metaliczne?

d) Czy w izolatorach może nastąpić przepływ prądu? Jeśli uważasz, że tak, to jak nazywa się takie zjawisko i jakie są jego skutki?

e) W jaki sposób, w przypadku półprzewodników, elektron może uzyskać energię z pasma przewodzenia i co wtedy dzieje się z wiązaniem, które tworzył?

a) Poziom (energia) Fermiego −największa energia jaką może posiadać elektron związany w danym układzie w temperaturze zera bezwzględnego. (W skrócie: energia Fermiego w metalach to największa energia kinetyczna elektronów w temperaturze 0K)

b) Metale charakteryzują się specyficznymi właściwościami polegającymi na dobrym przewodnictwie elektrycznym i cieplnym, co jest skutkiem łatwego przemieszczania się elektronów wewnątrz sieci krystalicznej metalu. Kryształ metalu zbudowany jest z dodatnich jonów metalu osadzonych w węzłach sieci, między którymi poruszają się elektrony walencyjne. Cechą charakterystyczną wiązania metalicznego jest delokalizacja elektronów i łatwość ich przemieszczania pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

c) (nie wiem)

d) W izolatorach może nastąpić przepływ prądu, takim zjawiskiem jest dielektryk, czyli materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości. W gazach obserwuje się błyski świetlne w postaci łuku elektrycznego lub piorunu oraz towarzyszące im efekty akustyczne.

e) Aby elektron mógł przeskoczyć do pasma przewodnictwa musi uzyskać energię wyższą niż szerokość przerwy energetycznej. Najprościej dostarczyć mu tę energię podgrzewając półprzewodnik lub np. oświetlając go światłem o odpowiednio dużej energii kwantów.

2. Co (jakie ładunki) jest nośnikiem prądu w półprzewodnikach?

Nośnikami ładunków w półprzewodnikach są elektrony (ujemne) i dziury (dodatnie) (puste miejsca po elektronach).

3. Jakie to są półprzewodniki samoistne a jakie niesamoistne?

Półprzewodnik samoistny -  jest to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierają obcych atomów w sieci krystalicznej.

Półprzewodnik niesamoistny - jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom.

4. Jakie znasz typy półprzewodników niesamoistnych? Jak powstają wymienione przez Ciebie typy?

Półprzewodnik typu n - uzyskuje się przez dodanie - w procesie wzrostu kryształu krzemu - domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami.

Półprzewodnik typu p - uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu).

5. Rysunek przedstawia energetyczny model pasmowy dla półprzewodników samoistnych. Narysuj analogiczny rysunek dla półprzewodników niesamoistnych typu n i typu p. Jakie nośniki prądu przeważają w przypadku półprzewodników typu n a jakie w przypadku półprzewodników typu p? A jak jest w przypadku półprzewodników samoistnych?

­­­

Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi).

Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur.

6. Jak zmienia się koncentracja nośników prądu w półprzewodnikach wraz ze wzrostem temperatury? Jak to jest w przypadku metali? Jak od temperatury zależy rezystywność przewodników a jak półprzewodników?

Wartość rezystancji półprzewodnika maleje na ogół ze wzrostem temperatury.

Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie czy rozciąganie.

W metalach, które są bardzo dobrymi przewodnikami prądu, koncentracja nośników ładunku jest bardzo duża i nie zależy od temperatury. Ruchliwość ładunku zależy zaś od temperatury, malejąc wraz z jej wzrostem

7. Co dzieje się z kandydatami na nośniki prądu na styku dwóch typów półprzewodników niesamoistnych, w obszarze tzw. złącza p-n? Wykorzystaj model pasmowy dla półprzewodników typu n i typu p. O jakich kandydatach na nośniki prądu jest mowa w pytaniu?

8. Co to jest warstwa zubożona (zaporowa)? Czy stanowi przeszkodę dla przepływu prądu? Czy można szerokością tej warstwy sterować przykładając zewnętrzne napięcie elektryczne? Czy prąd może płynąć przez złącze p-n, od czego to zależy?

Warstwa zaporowa - Na granicy obszarów n i p powstaje dipolowa warstwa ładunku przestrzennego zwana warstwą zaporową. Siły elektrostatyczne wytwarzane przez ładunki jonów utrudniają dalszy ruch dyfuzyjny nośników większościowych, natomiast na nośniki mniejszościowe powstałe pole elektryczne działa przyśpieszająco. Przez złącze płyną przeciwnie skierowane prądy. Jeżeli złącze znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej i bez przyłożonego napięcia, to prądy dyfuzji i unoszenia muszą być równe oddzielnie dla dziur i dla elektronów.

9. Co to jest napięcie dyfuzyjne? Naszkicuj kształt charakterystyki prądowo - napięciowej półprzewodnikowej diody prostowniczej i zaznacz napięcie dyfuzyjne.

Na złączu p i n dochodzi do zjawiska dyfuzji swobodnych nośników prądu. Elektrony, których koncentracja jest większa w półprzewodniku typu n przechodzą do półprzewodnika typu p, a „dziury” przemieszczają się w odwrotnym kierunku. Swobodne elektrony i „dziury” rekombinują (łączą się) ze sobą.

10. Jak od przyłożonego do diody prostowniczej zewnętrznego napięcia zależy rezystancja tej diody? (nie wiem czy o to chodzi w tej odp)

Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego prądy elektronowy i dziurowy są sobie równe co do wartości i przeciwnie skierowane.

11. Jak rozumiesz zjawisko Zenera? Jakie znasz półprzewodnikowe elementy elektroniczne wykorzystujące to zjawisko i jaka jest ich rola w układach elektronicznych?

W momencie gdy napięcie polaryzacji wstecznej będzie większe od napięcia Zenera wtedy dojdzie do przewodzenia wstecznego. Najważniejszymi z używanych obecnie elementów półprzewodnikowych są diody prostownicze, stabilizacyjne, pojemnościowe.

Dioda prostownicza – dioda przeznaczona głównie do prostowania prądu przemiennego, jej główną cechą jest możliwość przewodzenia prądu o dużym natężeniu.

12. Czy znane Ci są jakieś odmiany czystego węgla w stałym stanie skupienia, które są obecnie intensywnie badane w celu wykorzystania w elektronice? Jakie własności tych materiałów dają im przewagę nad obecnie stosowanymi?

Odmiany czystego węgla: diament, grafit, grafen, nanorurki.

Właściwości tych materiałów:

-Bardzo dobra przewodność cieplna

-Wytrzymałość na temperaturę i ciśnienie

-Możliwość sterowania rezystywnością w zależności od rodzaju i koncentracji domieszek (można uzyskać izolator, półprzewodnik lub przewodnik)

-Zdolność do przewodzenia prądów o dużych gęstościach