Materia skondensowana Ciała stałe: kryształy, polikryształy, ciała bezpostaciowe Atomy w krysztale uło\one są w powtarzający się regularny wzór zwany siecią krystaliczną Polikryształy ciała zbudowane z bardzo wielu malutkich kryształków. Ciała niekrystaliczne (np. szkło) uporządkowanie atomowe nie rozciąga się na du\e odległości. Ze względu na typy wiązań kryształy dzielimy na: " Kryształy cząsteczkowe (molekularne), " Kryształy o wiązaniach wodorowych, " Kryształy jonowe, " Kryształy atomowe (kowalentne), " Kryształy metaliczne. 1 Kryształy cząsteczkowe (molekularne) tworzą między innymi w stanie stałym gazy szlachetne i zwykłe gazy, takie jak tlen, azot, wodór. Siły van der Waalsa (oddziaływanie pomiędzy dipolami stanowi siłę wią\ącą kryształ) Energia wiązania około 10-2 eV (10-21 J), dla porównania energia cieplna w temperaturze pokojowej 3kT /2 = 6*10-21 J zestalenie kryształów cząsteczkowych zachodzi dopiero w bardzo niskich temperaturach. Np. dla wodoru 14 K (tj. -259 �C). Kryształy cząsteczkowe brak elektronów swobodnych bardzo złe przewodniki ciepła i elektryczności. Kryształy o wiązaniach wodorowych - atomy wodoru mogą tworzyć silne wiązania z atomami pierwiastków elektroujemnych takich jak np. tlen czy azot. Te wiązania odgrywają wa\ną rolę min. w kryształach ferroelektrycznych i w cząsteczkach kwasu DNA (dezoksyrybonukleinowego). Kryształy jonowe ( np. NaCl) - naprzemienne uło\enie dodatnich i ujemnych jonów przyciąganie siłami kulombowskimi. Kryształy jonowe brak swobodnych elektronów złe przewodniki elektryczności i ciepła. Siły kulombowskie wią\ące kryształy jonowe są du\e kryształy są twarde i mają wysoką temperaturę topnienia. Kryształy atomowe, kowalentne (np. diament, german, krzem) - atomy połączone parami wspólnych elektronów walencyjnych. Chmura wspólnych elektronów skupiona jest pomiędzy parą atomów wiązania mają kierunek i wyznaczają uło\enie atomów w strukturze krystalicznej. Kryształy kowalentne brak elektronów swobodnych twarde, posiadają wysoką temperaturę topnienia, nie są dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Ciała metaliczne (np. kryształy tworzone przez metale alkaliczne ). Wiązanie metaliczne to graniczny przypadek wiązania kowalentnego - elektrony walencyjne są wspólne dla wszystkich jonów w krysztale. Kryształ metaliczny elektrony na zewnętrznych powłokach są słabo związane (mogą zostać uwolnione kosztem bardzo małej energii). Swobodne elektrony poruszają się w całym krysztale są wspólne dla wszystkich jonów i tworzą gaz elektronowy wypełniający przestrzeń pomiędzy dodatnimi jonami. Gaz elektronowy działa na ka\dy jon siłą przyciągania większą od odpychania pozostałych jonów tworzy się wiązanie metaliczne. Istnieje wiele nie obsadzonych stanów elektronowych (na zewnętrznych powłokach są wolne miejsca) elektrony mogą poruszać się swobodnie w krysztale od atomu do atomu. Kryształy metaliczne są doskonałymi przewodnikami elektryczności i ciepła. 2 Poziomy energetyczne w ciałach stałych Zbli\amy atomy tworzymy sieć krystaliczną Dwa atomy Cu w du\ej odległości Zewnętrzne orbitale nakładają się (przekrywają się funkcje falowe zewnętrznych elektronów) Atomy nie widzą się chmury Zamiast 2 niezale\nych atomów mamy układ 2-atomowy elektronowe są odseparowane zawierający 2*29 = 58 elektronów Kwantowo funkcje falowe elektronów Zakaz Pauliego ka\dy elektron w innym stanie kwantowym nie przekrywają się W sieci N atomowej ka\dy poziom energetyczny rozdziela się na Ka\dy atom ma taki sam rozkład 29 N poziomów (N jest rzędu 1024 )!!! Tworzą się pasma elektronów na powłokach energetyczne oddzielone przerwami energetycznymi. Widmo energetyczne pojedynczego atomu i kryształu. Pasma o ni\szej energii są wę\sze Energia stany puste E stany zapełnione R(A) Przekrywanie chmur elektronowych 0 5 10 15 20 (funkcji falowych) zale\y od odległości między orbitalami. 3 Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie poło\onych stanów elektronów. Energia Poziom Fermiego; najwy\sza energia którą stany puste mogą mieć elektrony stany zapełnione Pasmo przewodnictwa; istnieją wolne poziomy energetyczne: elektrony mogą do nich przejść, co oznacza, \e 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 poło\enie poziomu Fermiego określa większość własności elektronowych materiału Pasma metali i półprzewodników (izolatorów) Metal R � = �0(1+ąT) �0 0 T R Półprzewodnik pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa puste częściowo zapełnione Krzem Eg = 1.2 eV T Diament Eg = 5.5 eV 4 Własności półprzewodników Półprzewodniki Np. german i krzem IV grupa układu samoistne okresowego (4 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 dziurą. Domieszkowanie półprzewodników półprzewodnik typu n: domieszka pierwiastka o wy\szej wartościowości Si + P: Eg = 1.2 eV Ed = 0.045 eV półprzewodnik typu p: domieszka pierwiastka o ni\szej wartościowości Si + Al: Eg = 1.2 eV Ea = 0.067 eV 5 Zastosowania półprzewodników: 1) Złącze p - n Ruch nośników większościowych (elektronów i dziur) przez złącze tworzy prąd dyfuzji w złączu tworzy się przestrzenny rozkład ładunku. Z rozkładem przestrzennym ładunku związana jest ró\nica potencjałów V0, która działa jako bariera dla nośników większościowych. Ró\nica potencjałów V0 nie przeszkadza przepływowi ładunków mniejszościowych prąd dryfu (unoszenia). W stanie równowagi Idyf = Idryf Iwyp. = 0 Zmniejszona wysokość bariery potencjału V0 prąd nośników większościowych rośnie. Ró\nica potencjałów V0 nie wpływa na przepływowi ładunków mniejszościowych prąd dryfu nie zmienia. Du\y, wypadkowy prąd IF płynie przez złącze Zwiększona wysokość bariery potencjału V0 prąd nośników większościowych maleje. Mały, wypadkowy prąd wsteczny IB płynie przez złącze 6 2) Tranzystor tranzystor dioda do której dołączono obszar p (kolektor) Vb w kierunku przewodzeni du\y prąd (dziurowy) z emitera do bazy Baza jest bardzo cienka 99% dziur przechodzi (dyfunduje) do kolektora, 1% wypływa z bazy (Ibe). � = Ike / Ibe współczynnik wzmocnienia prądu W typowych tranzystorach � = 100. Na wejściu tranzystora prąd Ibe (sygnał zmienny o danej charakterystyce) na wyjściu tranzystora prąd Ike o takiej samej charakterystyce ale 100 razy silniejszy. 7