Úvod do moderní fyziky lekce 9 – fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)
krystalické pevné látky • pevné látky, jejichž atomy jsou uspořádány do pravidelné 3D struktury zvané mřížka, každý atom je vázán ke svým sousedům dvouelektronovou kovalentní vazbou • vodiče, polovodiče, izolanty dle vlastností rezistivita, teplotní součinitel rezistivity, koncentrace nosičů elektrického náboje kovy vs. polovodiče – menší rezistivita, větší koncentrace nosičů náboje, opačná závislost rezistivity na teplotě
pásová struktura pevných látek • malá vzdálenost atomů – vlnové funkce elektronů se vzájemně překrývají (především u vnějších elektronů) • vysoký počet atomů – elektrony musí být každý v jiném kvantovém stavu, obrovské množství elektronů vytvoří obrovské množství energiových hladin, které splývají a vytváří pásy (mohou se i překrývat) • v nanofyzice (velmi malé rozměry krystalu, malé množství atomů) možnost existence diskrétních hladin a větší vzdálenost mezi pásy
izolátor vs. kov • pro zjištění vedení elektrického proudu se elektrony musí přesunout do vyšších (neobsazených) energiových hladin • zakázaný pás je u izolantů mnohem větší než střední kinetická energie elektronu při pokojové teplotě • u vodičů stačí přesun v rámci pásu, který není plně obsazen • Fermiho energie – nejvyšší obsazená hladina při T=0 K (elektrony mají při Fermiho energii tzv. Fermiho rychlost, tzn. ani při absolutní nule neustává veškerý pohyb) • izolátory a polovodiče rozlišujeme podle šířky zakázaného pásu
obsazenost hladin pro T > 0 K • platí Fermi-Diracova statistika • Fermiho energie je energie kvantového stavu, který má pravděpodobnost 50%, že bude obsazen
polovodiče • nosiče náboje – elektrony, díry • malé množství elektronů přeskočí do vodivostního pásu • při vyšší teplotě jich přeskočí více – snižuje se rezistivita (narozdíl od vodiče kde se zvyšuje v důsledku chaotického pohybu elektronů)
dotované polovodiče • (a) typ n – příměs s elektronem navíc – donor (např. fosfor v křemíku) • (b) typu p – příměs s chybějícím elektronem – akceptor (např. hliník v křemíku)
p-n přechod a diodový usměrňovač • v okolí roviny přechodu p-n dochází k difuzi elektronů a děr, vzniká tzv. ochuzená zóna bez pohyblivých nosičů náboje (hradlová vrstva) • závěrný směr (b) – rozšíření ochuzené zóny, prochází velmi malý závěrný proud způsobený minoritními nosiči náboje • propustný směr (a) – zúžení ochuzené zóny, velký propustný proud
plus použití filtračního kondenzátoru, který vyhlazuje tzv. tepavé napětí
LED diody (light-emitting) • elektron ze dna vodivostního pásu „spadne“ do díry (rekombinuje) u vrcholu valenčního pásu, uvolní se energie rovna šířce zakázaného pásu (v mnoha polovodičích – Si, Ge, a další – ve formě kmitů mřížky, u některých – např. Ga dotované arsenem a fosforem – ve formě fotonu) • děje se tak v úzké ochuzené zóně (tloušťka i několik μm) u p-n přechodu při zapojení v propustném směru (zajišťuje přísun elektronů a děr pro rekombinaci) • v praxi realizováno velmi tenkou vrstvou polovodiče typu p, přes kterou může procházet světlo • bílé LED – skládání barev a využití luminoforu – látka pohlcující energii a zpět ji vyzařující ve forme světla
další typy diod • fotodioda – osvětlením vhodně uspořádaného p-n přechodu začne procházet proud (fotoelektrický jev – přechod elektronu z valenčního do vodivostního pásu) voltampérová charakteristika fotodiody, při osvětlení proud v závěrném směru
• fotodioda PIN – mezi vrstvu PN přechodu vložena vrstva minimálně dopovaného polovodiče (PIN přechod) s velkou elektrickou pevností (až 500 V), rychlejší reakce na změny osvětlení (10-12 až 10-15 s, jinak 10-6 až 10-9 s) • laserové diody – při dostatečně vysokém proudu PN přechodem může dojít k populační inverzi elektronů (více jich je ve vodivostním než ve valenčním pásu), pokud jsou protilehlé roviny krystalu s přechodem PN rovinné a rovnoběžné, může se světlo uvnitř krystalu mnohonásobně odrážet – stimulovaná emise
tranzistor MOSFET • tranzistor = obecně polovodičová součástka schopna zesilovat nebo zapínat/vypínat elektrický signál • MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) = polem řízený tranzistor složení: lehce dotovaný polovodič typu p (křemík) - substrát, ostrůvky silně dotovaného polovodič typu n (D drain – kolektor, S source - emitor) spojené tenkým kanálkem tvořeným středně dotovaným polovodičem, nad ním tenká vrstva izolantu (např. oxid křemíku) a hradlo (G gate) funkce: záporné napětí na hradle vytváří elektrické pole, které odpuzuje elektrony z kanálu do substrátu (zvětšuje šířku ochuzené zóny), při určité hodnotě napětí přestane (téměř) zcela procházet proud, při nulovém nebo kladném napětí proud prochází
