Pasmowa teoria przewodnictwa
Z Wikipedii
Pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego – kwantowomechaniczna teoria opisująca przewodnictwo elektryczne. W przeciwieństwie do teorii klasycznej punktem wyjścia w tej teorii jest statystyka Fermiego-Diraca i falowa natura elektronów. Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór bardzo blisko położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów.
Spis treści |
[edytuj] Energetyczny model pasmowy
*Modelem pasmowym nazywamy uogólnioną interpretację poziomów energetycznych - właściwości elektronicznych ciał stałych.
Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności.
W atomie poszczególne elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych, dyskretnych stanach energetycznych. Dodatkowo w ciele stałym atomy są ze sobą związane, co daje dalsze ograniczenia na dopuszczalne energie elektronów. Dozwolone poziomy energetyczne odizolowanych atomów na skutek oddziaływania z innymi atomami w sieci krystalicznej zostają przesunięte tworząc tzw. pasma dozwolone, tj. zakresy energii jakie elektrony znajdujące się na poszczególnych orbitach mogą przyjmować; poziomy leżące poza dozwolonymi określane są pasmami zabronionymi.
Elektronika posługuje się zwykle uproszczonym modelem energetycznym, w którym opisuje się energię elektronów walencyjnych dwoma pasmami dozwolonymi:
- pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jakÄ… posiadajÄ… elektrony walencyjne zwiÄ…zane z jÄ…drem atomu;
- pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym.
Dolna granica pasma przewodnictwa jest położona wyżej (wyższa energia) niż górna granica pasma walencyjnego (niższa energia). Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem zabronionym (wzbronionym) lub przerwą zabronioną (energia ta jest oznaczana przez Wg).
Żeby w danym materiale mógł płynąć prąd elektryczny muszą istnieć swobodne nośniki - pojawią się one, gdy elektrony z pasma walencyjnego przejdą do pasma przewodnictwa. Musi więc zostać z zewnątrz dostarczona energia co najmniej tak duża, jak przerwa zabroniona.
W przewodnikach (miedź, aluminium itp.) nie ma pasma zabronionego (przerwy energetycznej). Może to wynikać z dwóch powodów:
- Pasmo walencyjne jest tylko częściowo zapełnione elektronami, mogą się one swobodnie poruszać, a więc pasmo walencyjne w przewodnikach pełni analogiczną rolę jak pasmo przewodnictwa w półprzewodnikach i izolatorach.
- Pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, toteż w tym wspólnym paśmie występuje dużo elektronów swobodnych i możliwy jest przepływ prądu.
Natomiast w materiałach izolacyjnych przerwa energetyczna jest bardzo duża (Wg rzędu 10eV). Dostarczenie tak dużej energii zewnętrznej (napięcia) najczęściej w praktyce oznacza fizyczne zniszczenie izolatora.
Pośrednią grupą są półprzewodniki. Przerwa energetyczna w tych materiałach jest mniejsza niż 2eV (obecnie 2eV to jedynie wartość umowna, znane są półprzewodniki o większej przerwie energetycznej, np. fosforek indu lub węglik krzemu), toteż swobodne elektrony mogą pojawić się przy dostarczeniu względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.
[edytuj] Graficzny opis pasm energetycznych w ciele stałym
[edytuj] Przewodniki
W przewodnikach poziom Fermiego znajduje się w obszarze poziomu przewodnictwa, dzięki czemu elektrony przewodnictwa mogą swobodnie poruszać się w obrębie materiału (ponieważ łatwo mogą przechodzić do wyższego poziomu energetycznego)
[edytuj] Izolatory
Poziom Fermiego w izolatorach znajduje się w okolicy granicy pasma walencyjnego, a pasmo wzbronione jest szerokie. Powoduje to, że elektrony nie mogą łatwo zwiększać swojej energii (ponieważ najpierw muszą przeskoczyć do pasma przewodnictwa).
[edytuj] Półprzewodniki spontaniczne
W półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego) jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 eV). W półprzewodnikach spontanicznych część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa dzięki energii termicznej lub np. wzbudzeń fotonowych. Przewodnictwo w półprzewodnikach spontanicznych ma charakter pół na pół elektronowo-dziurowy.
[edytuj] Półprzewodniki typu n
Jeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 14) wprowadzimy pierwiastek z grupy 15 nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom - poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnictwa pochodzi od elektronów (ale efekty opisane dla spontanicznych też grają role).
[edytuj] Półprzewodniki typu p
Analogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 13 to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.
[edytuj] Zobacz też
| "Zdrowie psychiczne problemem globalnym" |
|
Zdrowie psychiczne powinno stać się pierwszoplanowym zagadnieniem polityki globalnej - podkreślają psychiatrzy w przesłaniu na przypadający Światowy Dzień Zdrowia Psychicznego.
|
| Komórki, które idą drogą wirusa |
|
Żywe komórki, hodowane na podłożu, na które naniesiono wcześniej ściśle uporządkowane pasma wirusów, chętniej wzrastają w miejscach gdzie znajdują się cząsteczki wirusów. W ten sposób możliwa jest kontrola wzrostu komórek oraz tworzenie tkanek o charakterystycznym, wcześniej zaplanowanym dwuwymiarowym układzie przestrzennym, donosi "Chemical Communications".
|
| Wycinanie lasów to większe straty od kryzysu finansowego |
|
Wycinanie lasów przynosi światowej gospodarce znacznie większe straty niż obecny kryzys finansowy. Taki wniosek płynie z raportu, przygotowanego na zlecenie Unii Europejskiej, opublikowanego w ramach Światowego Kongresu Ochrony Przyrody, który odbywa się w Barcelonie.
|
| Dlaczego warto uczyć kosmologii |
|
Kosmologia to młoda nauka fizyczna, której najgwałtowniejszy rozwój miał miejsce w XX wieku. Teraz w dobie wspaniałego rozwoju technik obserwacyjnych, ta nauka oferuje nam obraz pełnego piękna i tajemnic Wszechświata, w którym żyjemy.
|
| Jedna trzecia Polaków ma nadwagę |
|
Ponad połowa Polaków (51 proc.) może pochwalić się prawidłową wagą ciała; prawie jedna trzecia (32 proc.) ma nadwagę, a 14 proc. jest otyłych. 3 proc. to osoby z wagą poniżej wagi prawidłowej - wynika z sondażu TNS OBOP.
|