[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.Potężny mikroWpływ mechaniki kwantowej na nasze codzienne życie jest bez wątpienia najsilniejszy wdziedzinie fizyki ciała stałego.Sama nazwa ciało stałe" jest mało romantyczna; nawet jeśliczytelnik tej książki słyszał to określenie, zapewne nie kojarzy go z teorią kwantową.Jednak to właśnie ta dziedzina fizyki dala nam radio tranzystorowe, walkmana, elektronicznyzegarek, kieszonkowy kalkulator, mikrokomputer i działającą programowo pralkę.Nieznajomośćfizyki ciała stałego nie wynika z faktu, że jest ona ezoteryczną dziedziną wiedzy, lecz stąd, że jejwszechobecność jest uznana za rzecz oczywistą.I znowu ta sama historia: bez wystarczającegoopanowania kwantowej książki kucharskiej nie mielibyśmy żadnego z wyżej wymienionychurządzeń.Działanie wszystkich tych urządzeń opiera się na własnościach półprzewodników.Są tomateriały (ciała stałe), które z punktu widzenia przewodnictwa elektrycznego lokują się - zgodnie znazwą - pomiędzy przewodnikami a izolatorami.Bez wchodzenia w szczegóły można powiedzieć,że izolatory to substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego, ponieważ elektrony w ichatomach są mocno związane z jądrami.W przewodnikach (np.w metalach) niektóre elektrony wkażdym atomie są bardzo luzno związane z jądrem i znajdują się w stanach energetycznychpołożonych blisko wierzchołka atomowej studni potencjału (zgodnie z regułami mechanikikwantowej).Gdy atomy są połączone ze sobą i tworzą jedno ciało, wierzchołek każdej studnipotencjału łączy się ze studniami sąsiednich atomów; elektrony z tych wysokich poziomów mogąswobodnie przemieszczać się od jednego jądra do drugiego; nie są właściwie związane z żadnymkonkretnym jądrem.To właśnie one stają się nośnikami prądu elektrycznego w przewodniku.Zjawisko przewodnictwa elektrycznego opiera się w gruncie rzeczy na statystyce Fermiego-Diraca, która zakazuje tym luzno związanym elektronom spaść w głąb studni potencjału, gdyżwszystkie niżej leżące poziomy energii są zajęte przez silnie związane elektrony.Jeśli spróbujemyścisnąć metal, napotykamy opór - metale są twarde.Przyczyną tego oporu i twardości metali jestzasada wykluczania Pauliego, zgodnie z którą będące fermionami elektrony nie mogą być ciaśniejupakowane.Elektronowe poziomy energii w ciele stałym można wyliczyć za pomocą kwantowo-mechanicznego równania falowego.Elektrony trwalej związane z jądrami znajdują się w takzwanym paśmie walencyjnym, a elektrony przemieszczające się swobodnie od jednego jądraatomu do innego - w paśmie przewodnictwa.W izolatorze wszystkie elektrony znajdują się w94 paśmie walencyjnym; w przewodniku niektóre przelewają się" do pasma przewodnictwa64.Wpółprzewodniku pasmo walencyjne jest zapełnione, a odstęp pomiędzy nim a pasmem przewod-nictwa jest bardzo mały - zazwyczaj około 1 eV.Elektrony mogą stosunkowo łatwo przeskoczyć dopasma przewodnictwa i przenosić prąd elektryczny poprzez materiał półprzewodnika.Jednakże, wprzeciwieństwie do zwykłego przewodnika, elektron, który zyskał potrzebną energię, abyprzeskoczyć do pasma przewodnictwa, zostawia za sobą dziurę w paśmie walencyjnym.Dokładnietak, jak było to w przypadku rozumowania Diraca na temat powstawania elektronów i pozytronów zenergii, ten brak ujemnie naładowanego elektronu w paśmie walencyjnym można traktować -przynajmniej z punktu widzenia własności elektrycznych - jak ładunek dodatni.Tak więc naturalnypółprzewodnik ma zazwyczaj kilka elektronów w paśmie przewodnictwa i kilka dodatnionaładowanych dziur w paśmie walencyjnym; jedne i drugie mogą przewodzić prąd.Możemywyobrażać sobie kolejne elektrony wpadające do dziury w paśmie walencyjnym i zostawiające zasobą dziurę, która w rezultacie przemieszcza się w przeciwną stronę, w miarę jak wpadają do niejnastępne elektrony.Możemy też wyobrażać sobie dziury jako rzeczywiste, dodatnio naładowanecząstki poruszające się w kierunku odwrotnym do ruchu skaczących elektronów.Z punktuwidzenia prądu elektrycznego efekt jest ten sam.Naturalne półprzewodniki są bardzo interesujące, choćby dlatego, że stanowią trafną analogiędo tworzenia pary elektron-pozytron.Bardzo trudno jest jednak kontrolować ich własnościelektryczne, a to właśnie możliwość kontrolowania przepływu prądu wprowadziła półprzewodnikido naszego codziennego życia.Możliwość tę uzyskuje się, wytwarzając sztuczne półprzewodniki -jeden rodzaj zdominowany przez wolne elektrony, drugi - przez wolne dziury".I tym razem trik ten łatwo jest zrozumieć, ale już trudniej zrealizować w praktyce.W krysztalegermanu na przykład każdy atom ma cztery elektrony na zewnętrznej powłoce (ponownieznajdujemy się w kwantowym barze szybkiej obsługi, w którym wystarczy znajomość modeluBohra), które są wspólne" dla sąsiadujących atomów, w wyniku czego powstają wiązaniachemiczne tworzące kryształ.Jeżeli kryształ germanu jest domieszkowany" kilkoma atomamiarsenu, w strukturze krystalicznej nadal dominują atomy germanu, więc atomy arsenu muszą siępomieścić najlepiej, jak to możliwe.Z punktu widzenia chemii główna różnica między germanem aarsenem polega na tym, że arsen ma pięć elektronów na zewnętrznej powłoce, więc dla arsenunajlepszym sposobem dopasowania się do germanowej struktury krystalicznej jest odrzuceniepiątego elektronu i przyjęcie czterech wiązań chemicznych, dzięki czemu atom arsenu możeudawać, że jest atomem germanu.Dodatkowe elektrony pochodzące od arsenu trafiają do pasmaprzewodnictwa półprzewodnika, ale nie pojawiają się odpowiadające im dziury.Taki kryształ nosinazwę półprzewodnika typu n.Drugi rodzaj półprzewodnika powstaje, gdy kryształ germanu (pozostańmy przy poprzednimprzykładzie) domieszkuje się" atomami galu, które mają tylko trzy elektrony dostępne dotworzenia wiązań chemicznych
[ Pobierz całość w formacie PDF ]