Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Kietieji kūnai skirstomi pagal atitinkamos tvarkos juose egzistavimą.

1. Kietieji kūnai, turintys tvarkingą vidinę struktūrą, vadinami kristaliniais. 2. Kietieji kūnai, neturintys tvarkingos vidinės struktūros, vadinami amorfiniais.

Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Kristalas – kietasis kūnas, turintis tvarkingą vidinę struktūrą. Jį sudaro tvarkingaisusigrupavusios dalelės: atomai, jonai arba molekulės (atomų junginiai).

Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Susidarant kristalui, jo atomai, jonai ar molekulės tvarkingai išsidėsto lygiagrečiomiseilėmis, kurių grupės sudaro kristalų gardeles.

Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Susidarant kristalui, jo atomai, jonai ar molekulės tvarkingai išsidėsto lygiagrečiomiseilėmis, kurių grupės sudaro kristalų gardeles.

Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Susidarant kristalui, jo atomai, jonai ar molekulės tvarkingai išsidėsto lygiagrečiomiseilėmis, kurių grupės sudaro kristalų gardeles.

Gardelė lemia kristalo formą. Kai prie jos jungiasi daugiau atomų, jonų ar molekulių,kristalas auga. Taškai, kuriuose išsidėsčiusios struktūrinės dalelės, vadinama gardelėsmazgais.

Pats mažiausias tūris, tiksliai pasikartojantis visame kristale, vadinamas elementariąjagardele. Kristalą sudaro elementarių gardelių kombinacijos.

Kietojo kūno fizikos elementai – Amorfinės medžiagos

Be kristalinių kietų medžiagų yra ir nekristalinių – vadinamų amorfinėmis medžiagomis.Amorfinės medžiagos neturi griežtos struktūros – jose atomai išsidėstę chaotiškai.

Pvz.: Stiklo amorfinė struktūra Kristalo struktūra

Kietojo kūno fizikos elementai - Kristalai

Kietųjų kūnų kvantinė teorija aiškina, kodėl visos medžiagos dujiniame būvyje yradielektrikai, o kietame – elektrinis laidumas kinta labai plačiose ribose;

Į šiuos ir kitus klausimus atsako kietųjų kūnų juostinė teorija.

Ji taikoma kristaliniams kūnams, t.y. tokiems dariniams, kuriuose tvarkingaipasiskirsčiusios dalelės sudaro kristalinę gardelę.

Dalelės yra išsidėstę atitinkamu dėsningumu erdvėje nubrėžtų tiesių sankirtos taškuose,kurie vadinami gardelės mazgais.

Kristalo modelis. Šiame modelyje atomo branduolys ir jo vidinių sluoksnių elektronaisudaro vieną darinį, o jų visuma – gardelės joninį kamieną.

Pastarasis kuria periodinį elektrinį lauką, kuriame juda išorinio sluoksnio valentiniaielektronai.

Vadinasi, iš modelio išplaukia, kad kristalas yra joninio kamieno ir valentinių elektronųdarinys.

Kietojo kūno fizikos elementai - Atomų energijos lygmenų skilimas susidarant kristalui. Vienatomių dujų absorbciniai ir emisiniai linijiniai spektrai tiesiogiai rodo kad, laisvoatomo energija yra kvantuota.

Atomo energijos būsenų kvantavimas yra elektronų kvantuotų būsenų pasekmė.

Jeigu elektronai gali spinduliuoti tik griežtai nustatytos fotonų energijos kvantus,vadinasi jie yra stacionariose ir diskretinėse orbitose.

Kietojo kūno fizikos elementai - Atomų energijos lygmenų skilimas susidarant kristalui.

Kitokį – sudėtingesnį elektronų energetinių lygmenų pasiskirstymą gali paaiškintikietojo kūno juostinė teorija, aiškinanti, kad elektronų lygmenys persidengia, kristalo atomams sudarant joninius ar kovalentinius ryšius.

Šiuo atveju elektronų lygmenys skyla į daugelį lygmenų, kurias apjungus, galima vadinti energetinėmis juostomis.

Energetines juostas taip pat galima klasifikuoti pagal savybes – priklausomai kokiameprocese dalyvauja krūvio pernašos dalelės.

Atomų energijos lygmenų skilimas susidarant kristalui.

Jei atomai yra toli vienas nuo kito (atstumas tarp jų ) ir tarpusavyje nesąveikauja, tai jų energijos W spektras yra vienodų energijų lygmenų sistema.

Kiekvienas lygmuo nusakomas dviem kvantiniais skaičiais: pagrindiniu n bei orbitiniu l ir yra išsigimęs (2l+1) kartų.

Atomus suartinant ir taip sudarant kristalą, elektrono energija pradeda priklausyti nuo joninio kamieno sukurto elektrinio lauko.

Elektrono ir šio lauko sąveika išsigimimą panaikina, todėl kiekvienas Wnl, suskyla į (2l+1)N lygmenų (čia N – atomų skaičius kristale).

Atstumai tarp gretimų suskilusių lygmenų priklauso nuo tarpatominio atstumo r, nes nuo r vertės priklauso sąveikos stiprumas.

Pusiausvirame kristale nusistovi tam tikras atstumas r0 tarp atomų, todėl energijoslygmenys yra susigrupavę į šiam atstumui atitinkančias juostas

Energijos juostos (leistinų ir draustinių energijų juostos)..

Kristalo galimų energijų intervalai:

atskirti draustinių energijų intervalais:

Jie atitinkamai vadinami leistinėmis ir draustinėmis energijos juostomis.

Šių juostų plotis ∆W nepriklauso nuo kristalo matmenų, o priklauso nuo jį sudarančių atomų kilmės ir kristalo struktūros.

Juostų plotis dar priklauso nuo krypties kristale, nes atstumai tarp atomų skirtingomiskryptimis yra skirtingi.

Dvi leistinės juostos gali persikloti viena su kita, sudarydamos hibridinę juostą.

Energijos juostos (leistinų ir draustinių energijų juostos).

Valentiniai elektronai įveikę potencialiniu barjerus, gali pereiti nuo vieno atomo prie kito tuneliniu būdu.

Tunelinio perėjimo tikimybė valentiniams elektronams didelė, o vidinių sluoksnių elektronams – labai maža.

Todėl valentiniai elektronai nėra lokalizuoti atome, bet migruoja kristale.

Perėjimo greitis apytiksliai lygus jų greičiui atome v~105 m/s ,

todėl valentiniai elektronai mazge užtrunka laiką (d – atomo matmenys). Jų energija yra neapibrėžta dydžiu ∆W, kuris ir nusako elektronų energijos lygmens plotį arba lygmens išplitimą. Jį randame iš Heizenbergo principo:

Valentinių elektronų leistinų juostų plotis gali siekti keletą elektronvoltų.

Vidinių elektronų lygmenys beveik neišplinta: elektronai sužadintame būvyje užtrunkalaiką t~10−8 s, iš čia:

Ši energija ženkliai mažesnė už atstumą tarp leistinų energijų lygmenų, kuris yra ~ 1 eV.

Metalai, puslaidininkiai ir dielektrikai juostinės teorijos požiūriu (elektrinio laidumo priklausymas nuo juostos užpildymo elektronais laipsnio ir pavyzdžiai).

Kristalo energijos juostoms vaizduoti paprastai naudojama supaprastinta schema.

Šioje schemoje vaizduojamos tik dvi juostos iš visų galimų energijos juostų: valentinė juosta (nesužadintų valentiniųelektronų būvių) ir

artimiausia jai sužadintų energijų juosta.

Ši juosta dar vadinama laidumo juosta, nes nesant išorinių poveikių joje elektronų nėra:tik gavę energijos, elektronai pereina į šią juostą ir gali dalyvauti elektriniame laidume.

Abi juostos atskirtos pločio ∆Wg draustine juosta.

Laisvųjų elektronų savybės užpildytoje ir neužpildytoje valentinėje juostoje skiriasi.

Metalai, puslaidininkiai ir dielektrikai juostinės teorijos požiūriu (elektrinio laidumo priklausymas nuo juostos užpildymo elektronais laipsnio ir pavyzdžiai).

Visiškai užpildytų juostų atvejis - dielektrikai.

Elektrinis laukas gali pakeisti judėjimą tik tų elektronų,kurie randasi nepilnai užpildytoje juostoje.

Išorinio elektrinio lauko veikiamas elektronas laisvojokelio nuotolyje įgyja 10−8 − 10−4 eV energiją.

Jos pakanka jį perkelti į tos pačios juostos didesnės energijos lygmenis, bet nepakankaelektronus perkelti į laidumo juostą.

Tokie perėjimai galimi tik tuo atveju, jei valentinėje juostoje yra laisvų energijos lygmenų,t.y. ši juosta nėra elektronų visiškai užpildyta.

Tačiau esant visiems valentinės juostos energijos lygmenims užimtiems ir jeiji atskirta nuo laidumo juostos pakankamai plačia draustine juosta, elektronai elektriniame laidume nedalyvauja.

Išorinis elektrinis laukas šiose medžiagose srovės nesukuria, o jos vadinamosdielektrikais (technikoje – izoliatoriais).

Metalai, puslaidininkiai ir dielektrikai juostinės teorijos požiūriu (elektrinio laidumo priklausymas nuo juostos užpildymo elektronais laipsnio ir pavyzdžiai).

Iš dalies užpildytų energijos juostų atvejis.

Tokioje juostoje yra didelis skaičius laisvų lygmenų (b), kurių energijos nežymiai skiriasi nuo užimtų lygmenų.

Todėl elektrinis laukas gali elektronus perkelti į gretimus laisvus lygmenis. Taip medžiagoje bus sukurta srovė.

Medžiagos, kuriose valentinė juosta yra iš dalies užpildyta elektronais, vadinamos laidininkais.

Tipiniai laidininkai yra metalai.

Metalai, puslaidininkiai ir dielektrikai juostinės teorijos požiūriu (elektrinio laidumo priklausymas nuo juostos užpildymo elektronais laipsnio ir pavyzdžiai).

Iš dalies užpildytų energijos juostų atvejis.

Puslaidininkiai.

Jei laidumo juostą nuo visiškai užimtos valentinės skiria nedidelio pločio draustinė

juosta ,

tai temperatūroje T>0K dalis elektronų iš valentinės pereina į laidumo juostą.

Abi juostos tampa dalinai užpildytos laisvais krūvininkais, o medžiaga laidi srovei.

Šios medžiagos vadinamos puslaidininkiais.

Metalai, puslaidininkiai ir dielektrikai juostinės teorijos požiūriu (elektrinio laidumo priklausymas nuo juostos užpildymo elektronais laipsnio ir pavyzdžiai).

Medžiagų suskirstymas aiškinamas valentinės juostos užpildymu elektronais.

Jei valentinė juosta užimta ir draustinės juostos plotis , turime dielektriką,

o jei, – puslaidininkį.

Kuomet valentinė juosta yra dalinai užpildyta elektronais arba ji ir laidumo juostos

persidengia, t.y.: turime laidininką.

Dielektrikai Puslaidininkiai Laidininkai

W

W=3-7 eV W<3 eV g g

Puslaidininkiai (elektroninis ir skylinis laidumas).

Tarkime, kad užimtos valentinės juostos elektronas (a), gavęs šiluminio judėjimo energiją ∆W≥Wg , pereina į laidumo juostą.

Tuomet valentinėje juostoje susidaro neužimtas energijos lygmuo.

Šitokią kvantinę būseną kristale vadina skyle. Skylei priskiriamas elementarusis dydžio e krūvis. Atsiradusią skylę gali užimti bet kuris valentinės juostos elektronas.

Elektronui valentinėje juostoje kylant aukštyn, skylė atitinkamai leidžiasi žemyn.

Šitoks skylių judėjimas valentinėje juostoje vadinamas skyliniu laidumu.

Peršokę į laidumo juostą elektronai taip pat dalyvauja elektriniame laidume.

Šios juostos sąlygojamas laidumas vadinamas elektroniniu laidumu.

Taigi puslaidininkiuose turėsime dviejų tipų krūvininkus: elektronus ir skyles.

Puslaidininkiai (elektroninis ir skylinis laidumas).

Panagrinėkime dar ir kitą laidumo aiškinimą. Tam paaiškinkime kristalo, sudaryto išsilicio (Si) ar germanio (Ge) elektrinį laidumą.

Šie kristalai yra tipiniai puslaidininkiai.

Kiekvienas Si ar Ge atomas turi keturisvienodu nuotoliu nutolusius artimiausius kaimynus (a).

Jei kristalo temperatūra TK>0 , tai jo atomai chaotiškai virpa. Jų virpėjimo vidutinė energija proporcinga kT .

Kambario temperatūroje tai sudaro apie . Šios energijos nepakankaelektronams ryšius nutraukti.

Tačiau elektronai pagal energijas pasiskirsto statistiškai, todėl visuomet bus tokių elektronų, kurių šiluminės judėjimo energijos viršys ryšio energiją.

Puslaidininkiai (elektroninis ir skylinis laidumas).

Tokie elektronai nutraukia tarpatominius ryšius, o kristale atsiranda laisvieji elektronai irskylės.

Sukūrus puslaidininkyje dydžioelektrinį lauką

elektronai (b tamsūs skrituliukai) judės prieš lauko kryptį,

o skylės – pagal lauką.

Skylių judėjimą aiškiname šitaip.

Tarkime, kad į skylę peršoka gretimojo atomo (b, – dešiniojo) elektronas.

Tuomet buvusi skylė pasinaikins, o dešinėje, t.y. pagal lauko kryptį atsiranda nauja.

Tokį skylės atsiradimą gretimame mazge ir vadina jos judėjimu.

Akivaizdu, kad skylės sklidimo kryptis priešinga minėto elektrono judėjimo krypčiai.

Puslaidininkio savasis elektrinis laidumas

Elektronų ir skylių judėjimas gryname puslaidininkyje sudaro savąjį puslaidininkiolaidumą, o toks puslaidininkis vadinamas tikruoju (savuoju) puslaidininkiu.

Puslaidininkiuose egzistuoja dviejų rūšių laisvieji krūvininkai: laidumo juostos elektronai ir valentinės juostos skylės.

Sukūrus puslaidininkyje stiprumo E elektrinį lauką, jame tekės srovė: elektronai judėsprieš lauką, skylės – pagal.

Srovės tankis lygus elektronų ir skylių srovių tankių sumai:

Jis išreiškiamas: vn – elektrono, o vp – skylės vidutiniai dreifiniai

greičiai.

Juos pakeitę judrumais, o kadangi grynam puslaidininkiui tenkina lygybė:

gauname Omo dėsnį puslaidininkiui:

Dydis vadinamas medžiagos savituoju laidumu.

Savasis elektrinis laidumas (priklausomybė nuo temperatūros).

Panaudojant kvantinę statistiką ir kieto kūno juostinę teoriją galima gautisavitojo laidumo priklausomybę nuo kiekvienam puslaidininkiui būdingų dydžių:

čia: 0 - konstanta, Wg - draustinės juostos plotis, k - Bolcmano konstanta, T - absoliutinė temperatūra.

Puslaidininkių savitojo laidumo temperatūrinė priklausomybė nusakoma eksponentės dėsniu –

didėjant temperatūrai, puslaidininkių laidumas stipriai didėja, mažėjant jai, laidumas mažėja ir esant T=0 K savasis laidumas lygus 0.

Puslaidininkio savasis elektrinis laidumas

Įvairių puslaidininkių draustinės juostos plotis:

Puslaidininkių laidumas priklauso nuo dydžio bei temperatūros.

Kuo mažesnis draustinės juostos plotis ir kuo aukštesnė kristalo temperatūra, tuodidesnis skaičius elektronų ir skylių susidaro ir tuo būdu didesnis bus puslaidininkio elektrinis laidumas. Priešingai, mažėjant temperatūrai, elektronų ir skylių skaičiusmažėja, o esant puslaidininkis virsta dielektriku.

Kambario temperatūroje puslaidininkių savasis laidumas yra nedidelis. Jį ženkliai galima padidinti įvedus į puslaidininkį priemaišas.

Priemaišinis elektrinis laidumas (donorinės bei akceptorinės priemaišos; pagrindiniai ir šalutiniai krūvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Tarkime, kad gardelės mazge esantį keturvalentį Si atomą pakeitė penkiavalentės priemaišos atomas(fosforo, arseno, stibio ir kt.).

Keturi priemaišos elektronai sudaro kovalentinius ryšius su keturiais gretimais Si atomais, o penktasistampa laisvu, o priemaišos atomas – teigiamu jonu.

Pats jonas nėra srovės nešėjas, nes yra lokalizuotas gardelės mazge.

Atsiradę laisvieji elektronai žymiai padidina kristalo laidumą, lyginant su savuojulaidumu.

Tokios priemaišos, kurių atomai didina laisvųjų elektronų skaičių, vadinamos donorais.

Jos yra laisvųjų elektronų gardelei tiekėjais. Tokiuose puslaidininkiuose vyrauja elektroninis laidumas, o savasis skylinis – nežymus.

Jie vadinami n-puslaidininkiais (negative – neigiamas).

Priemaišinis elektrinis laidumas (donorinės bei akceptorinės priemaišos; pagrindiniai ir šalutiniai krūvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Kitaip bus, jei keturvalentį silicio atomą pakeisime trivalentine priemaiša, pavyzdžiui, indžiu (In), boru (B).

Priemaišos atomui ryšiui sudaryti trūksta vieno elektrono, kurį priemaiša gali pasiimti iš gretimo silicio atomo.

Priemaiša tampa neigiamu jonu, o silicio atomas – teigiama skyle e+ (b).

Į susidariusią skylę gali peršokti elektronas iš gretimo Si atomo, tuomet skylė atsiras pastarajame.

Ryšį nutraukę elektronai juda prieš lauką E, skylės – pagal lauką.

Skyles kuriančios priemaišos vadinamos akceptoriais, o medžiaga – p - puslaidininkiu (positive – teigiamas).

Priemaišinis elektrinis laidumas (donorinės bei akceptorinės priemaišos; pagrindiniai ir šalutiniai krūvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Juostinės teorijos požiūriu priemaišų atomai sukuria lokalinius energijos lygmenis.

Donorinių priemaišų lokaliniai lygmenys yra išsidėstę arti laidumo juostos, akceptorinių – arti valentinės juostos.

Juose esantys elektronai negali judėti kristale.

Elektronai iš užimtų lokalinių donorinių energijos lygmenų gali pereiti į laidumo juostą. Tam reikia mažiau energijos, negu pereiti elektronui iš valentinės į laidumo juostą.Panašiai į neužimtus lokalinius akceptorinius lygmenis elektronai gali pereiti iš valentinės juostos. Tam taip pat reikia nedaug energijos.Arti laidumo arba valentinės juostų esantys energijos lygmenys vadinami sekliaisiais.

n puslaidininkyje pagrindiniais krūvininkais yra elektronai, o šalutiniais – skylės; p puslaidininkyje pagrindiniais krūvininkais yra skylės, o šalutiniais – elektronai.

Priemaišinis elektrinis laidumas (donorinės bei akceptorinės priemaišos; pagrindiniai ir šalutiniai krūvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Tačiau priemaišiniai lygmenys gali susidaryti ir arti draustinės juostos vidurio.

Pastarieji vadinami giliaisiais lygmenimis, arba gaudyklėmis.

Jie įtakoja ne laisvųjų krūvininkų tankiui, o jų judrumui.

Šiuose lygmenyse elektronai gali išbūti gana ilgą laiką, kas mažina puslaidininkiųelektrinį laidumą.

Jeigu priemaišų koncentracija yra labai didelė ir jos tarpusavyje sąveikauja, tuometlokaliniai lygmenys išplinta į juostas. Jos gali persidengti su kristalo galimų energijųjuostomis.

Priemaišinis elektrinis laidumas (donorinės bei akceptorinės priemaišos; pagrindiniai ir šalutiniai krūvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Puslaidininkyje, kuriame yra donorinės arba akceptorinės priemaišos, laidumo juostoje susidaro laisvieji elektronai arba valentinėje juostoje – skylės.

Tuomet srovės nešėjų tankis lygus savųjų ir priemaišinių nešėjų

tankių sumai: ,

o puslaidininkio laidumas lygus savojo ir priemaišinio laidumo sumai:

Priemaišinis laidumas priklauso nuo priemaišų tankio ir silpnai – nuo temperatūros.

Žemose temperatūrose vyrauja priemaišinis laidumas, o aukštose – savasis.

p-n sandūra. Sandūros voltamperinė charakteristika.

Tegul išorinė įtampa prijungta tiesiogine kryptimi (šaltinio teigiamas polius prie p puslaidininkio). Tokią įtampą laikysime teigiama.

Šaltinio laukas yra priešingos krypties, nei pnsandūros potencialinis barjeras, todėl jis jį sumažins.

Dėl to, elektronai ir skylės galės lengvai judėti per pn sandūrą.

Šaltinio lauko teigiamas polius pritrauks elektronus iš n puslaidininkio į p, ir stums skyles link neigiamo poliaus ir n puslaidininkio,o neigiamas – pritrauks skyles iš p puslaidininkio į n ir stums elektronus link teigiamo poliaus ir p puslaidininkio.

Išorinio šaltinio srovė pastoviai “tiekia” elektronus į n puslaidininkį, iš kurio jie juda linkp puslaidininkio, kuriame juda skylėmis link teigiamo poliaus.

Atitinkamai, judant elektronui p puslaidininkyje, skylės, kuriomis jis juda, judės link neigiamo poliaus

p-n sandūra. Sandūros voltamperinė charakteristika.

Šalutinių krūvininkų judėjimo sukurtų dreifinių srovių tankiai, pusiausvyrųjų ir atžvilgiu

padidėja kartų, t.y.

Išorinė įtampa praktiškai difuzinės srovės nepakeičia – ji priklauso nuo pagrindiniųkrūvininkų tankio, kuris nuo įtampos nepriklauso.

Jai galioja lygybės ,

tuomet pilnosios srovės tankis:

čia dydis - vadinamas soties srove.

p-n sandūra. Sandūros voltamperinė charakteristika.Įjungus atgalinę įtampą, sandūros erdvinio krūvio ir šalutinio laukų kryptys sutaps.

Šaltinio elektrinis laukas pagrindinių krūvininkų judėjimą (elektronų į p ir skylių į n puslaidininkius)dar labiau apsunkins, t.y. jiems potencialinio barjero aukštis padidės dydžiu .

Be to, išorinis laukas atitolins elektronus n puslaidininkyje ir skyles p puslaidininkyje nuo np sandūros ir padidins jos storį bei varžą, sudarydama sandūroje krūvininkaisnuskurdintą sluoksnį.

Esant atgalinei įtampai, per np sandūrą laisvai praeina šalutiniai krūvininkai: elektronai iš p į n puslaidininkį ir skylės iš n į p puslaidininkį. Tekanti p puslaidininkio link srovė yra labai silpna, nes šalutinių krūvininkų tankis, esant neaukštoms temperatūroms, yra mažas.

Kryptis, kuriai sandūros varža yra didelė, vadinama užtvarine, o srovė – atgaline. Ji aprašoma ta pačia formule, kaip ir tiesioginė srovė:

tik šiuo atveju dydis .

p-n sandūra. Sandūros voltamperinė charakteristika.

Sandūroje np srovės priklausomybė nuo įtampos vadinama voltamperinė charakteristika, kuri pavaizduota paveiksle.

p-n sandūra. Sandūros voltamperinė charakteristika.

p-n sandūra pasižymi savybe pralesti srovę tik viena kryptimi.

Toks elektrotechninis elementas, pagamintas naudojant vieną n-p sandūrą, vadinamasdiodu.

Schematiškai diodas žymimas -

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - reiškinys

Anksčiau buvo nagrinėjamas išorinis fotoefektas – metalą veikiant elektromagnetinespinduliuote, jis gali emituoti elektronus.

Puslaidininkiuose ir dielektrikuose gaunamas ir kitokios rūšies fotoefektas: apšvietus juos gali padidėti laisvųjų krūvininkų tankis.

Toks elektromagnetinės spinduliuotės sukeltas reiškinys vadinamas vidiniu fotoefektu.

Laisvieji krūvininkai gali susidaryti apšvietus gryną (a), donorinį (b) ir akceptorinį (c)puslaidininkius.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - tipai

a) Jeigu sugerto fotono energija ne mažesnė už draustinės juostos plotį , taivalentinės juostos elektronas, sugėręs tokios energijos fotoną, peršoka į laidumo juostą.

Taip laidumo juostoje padidėja elektronų, o valentinėje juostoje – skylių tankis.

Gautų krūvininkų sąlygojamas laidumas vadinamas savuoju fotolaidumu.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - tipai

b) Donorinio lygmens elektronas sugėręs energijos fotoną, peršoka į

laidumo juostą ir dėlto padidėja tik elektroninis laidumas.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - tipai

c) Valentinės juostos elektronui sugėrus energijos fotoną, šis peršoka į

akceptorinį lygmenį, ir dėl to padidėja skylių valentinėje juostoje tankis.

(b) ir (c) atvejais gaunamas priemaišinis fotolaidumas.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - ypatumai

Vidiniam fotoefektui konkrečiame puslaidininkyje yra tam tikras ribinis dažnis ,vadinamas fotolaidumo raudonąja riba, žemiau kurio fotolaidumo nėra.

Grynojo puslaidininkio ribinis dažnis tenkina sąlygą .

Raudonoji riba dažnai charakterizuojama ribiniu bangos ilgiu , kurio vertė tenkina

šitokią lygybę .

Jei puslaidininkio draustinės juostos plotis ,

tai (geltonos šviesos bangos ilgis).

Ultravioletiniai spinduliai gali sukelti fotoefektą ne tik puslaidininkiuose,

bet ir dielektrikuose (jų ).

Priemaišinių puslaidininkių arba ir

, t.y. fotoefektą sukuria infraraudonieji spinduliai.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotolaidumas

Spinduliuote švitinamo puslaidininkio savitasis laidumas (toliau laidumas)

čia – tamsinis laidumas, o – fotolaidumas.

Tamsinį laidumą sąlygoja krūvininkai, susidarę dėl kristalo dalelių šiluminių virpesių.

Taip susidarę krūvininkai vadinami pusiausvyraisiais.

Laisvieji krūvininkai, atsiradę puslaidininkyje dėl visų kitų poveikių, išskyrus šiluminį,vadinami nepusiausvyraisiais krūvininkais.

Vidinio fotoefekto krūvininkų tankis priklauso nuo šių reiškinių:

1. Krūvininkų generavimo; 2. Krūvininkų rekombinacijos.

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotorezistorius

Fotolaidumo reiškinys panaudojamas gaminant prietaisus – fotorezistorius.

Jį sudaro dielektriko padėklas 1, kuris padengiamas plonupuslaidininkio sluoksniu 2 ir ant kurio užgarinamas metaliniselektrodas 3.

Sluoksnis 2 padengiamas skaidriu laku, saugančiu jį nuo kenksmingų išorinių poveikių (drėgmės, dulkių).

Prie neapšviesto fotorezistorius prijungus įtampą, teka tamsinė srovė.

Apšvietus padaugėja laisvųjų krūvininkų ir dėl to varža sumažėja. Keičiant šviesos srautą, fotorezistoriaus elektrinis laidumas padidėja kartų ir daugiau.

Tipiniaifotorezistoriųelementai:

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotorezistorius

Fotoelektriniai reiškiniai fotorezistoriuose yra inertiški.

Veikiant rezistorių stačiakampiais pastovausintensyvumo šviesos impulsais, srovė palaipsniui didėja nuo tamsinės iki stacionariosios vertės ir mažėja, artėdamas prie tamsinės vertės.

Fotorezistoriaus inertiškumas apibūdinamas laiko pastoviąja , t.y. laiku, per kurį srovė, išjungus apšvietimą, sumažėja e kartų.

Šis laikas priklauso nuo krūvininkų perteklinės energijos perdavimo gardelei greičio ir yra .

Fotorezistoriai veikia plačiame šviesos bangų ilgių diapazone: .

Regimai spektro sričiai jautrūs fotorezistoriai gaminami iš kadmio sulfido (CdS), oinfraraudonajai – iš švino sulfido (PbS), švino selenido (PbSe) ir kt.

LEDLED

Kaip diodas spinduliuoja šviesą: http://www.lighting.philips.com/pwc_li/main/connect/Lighting_University/internet-courses/LEDs/led-lamps2.html

LEDLEDColor Wavelength, nm Voltage drop, V Semiconductor material

Infrared λ > 760 ΔV < 1.63 GaAs, AlGaAs

Red 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP

Orange 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP, AlGaInP, GaPYellow 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP, AlGaInP, GaP

Green 500 < λ < 570 1.9[70] < ΔV < 4.0 Traditional green: GaP, AlGaInP, AlGaPPure green: InGaN / GaN

Blue 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 ZnSe, InGaN, SiC as substrate,Si as substrate - under development

Violet 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 InGaN

Purple Multiple types 2.48 < ΔV < 3.7 Dual blue/red LEDs, blue with red phosphor, or white with purple plastic

Ultraviolet λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Diamond (235 nm), BN (215 nm), AlN (210 nm),AlGaN, AlGaInN - down to 210 nm

Pink Multiple types ΔV ~ 3.3[76]

Blue with one or two phosphor layers:yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards, or white phosphors with pink pigment or dye over top.

White Broad spectrum ΔV = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor

LEDLEDcolour mixing:http://www.lighting.philips.com/pwc_li/main/connect/Lighting_University/internet-courses/LEDs/led-lamps3.html white led:http://www.lighting.philips.com/pwc_li/main/connect/Lighting_University/internet-courses/LEDs/led-lamps5.html

The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources"

Mėlynas LEDMėlynas LED

The Nobel Prize in Physics 2014Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura

Mėlynas LEDMėlynas LED

The Nobel Prize in Physics 2014Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura