Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Jaka jest struktura półprzewodników?

Poniższa animacja pokazuje schemat wiązań w typowym półprzewodniku - krzemie oraz ilustruje powstawanie swobodnych elektronów i dziur w półprzewodnikach i ich chaotyczny ruch.

R13BSTOX74zlX
Opis alternatywny animacji 3D.
Na ciemnym polu pojawia się wiele trójwymiarowych szarych i półprzezroczystych sześcianów, w których widoczne są dwa kolejne nieco jaśniejsze, przy czym najbardziej środkowe są prawie białe. Zbiegają się one i po chwili tworzą jeden biały mały, jasny sześcian na czarnym tle, po prawej stornie ekranu w połowie jego wysokości. Obok, po prawej stronie, pojawia się biały napis jaka jest struktura półprzewodników? Na ciemnym tle widoczne są dwie płytki drukowane PCB, zielonym kolorze na których zamontowano wiele elementów elektronicznych, takich jak rezystory, kondensatory, cewki oraz bardziej złożonych, jak mikroprocesory i kości pamięci. Najprawdopodobniej płytki te przedstawiają płytę główną wyjętą z komputera. Część z tych elementów zbudowana jest z półprzewodników, czyli materiałów których przewodnictwo zależy od warunków zewnętrznych np. temperatury. Po chwili na ekranie widoczne jest zbliżenie na inną, pojedynczą płytkę PCB z zamontowanymi elementami elektronicznymi. Po chwili na tle pojawia nieruchomej płytki drukowanej pojawia się dwuwymiarowy schemat atomu krzemu. Atom krzemu narysowany jest w formie pomarańczowego jądra z centralnym podpisem wielka litera S i mała litera i. Wokół jądra widoczne są powłoki elektronowe w postaci okręgów narysowanych białymi liniami. Tło znika i po chwili staje się czarne a na ekranie widać jedynie model atomu krzemu. Po chwili na powłokach elektronowych pojawiają się elektrony w postaci niebieskich kulek. Dwa na pierwszej, najbliższej jądru atomowemu, osiem na drugiej i cztery na najbardziej oddalonej od jądra, czyli walencyjnej. Powłoka walencyjna jest opisana białym napisem. Elektrony znajdujące się na powłoce walencyjnej odpowiadają za wiązania z czterem sąsiadującymi atomami w materii. Wiązanie te nazywane są wiązaniami kowalencyjnymi. Po chwili wewnętrzne powłoki walencyjne znikają i jądro atomu krzemu widoczne jest w postaci uproszczonej, jako pomarańczowe podpisane jądro i otaczającą je powłoką walencyjną z czterem elektronami. Po prawej stronie uproszczonego modelu atomu pojawia się biały napis model atomu krzemu w nawiasie wielka litera S i mała litera i. Pod tym podpisem widoczny jest mniejszymi literami napis widoczne są tylko cztery elektrony walencyjne. Po chwili na ekranie pojawiają się jeszcze osiem takich samych atomów krzemu tworzących kwadrat, w którego środku znajduje się opisany wcześniej atom krzemu. Pomiędzy wszystkimi sąsiadującymi ze sobą atomami widoczne są niebieskie elipsy na końcach których widać elektrony walencyjne sąsiadujących atomów. Niebieskie elipsy symbolizują wiązania kowalencyjne. W lewym dolnym rogu ekranu widać biały podpis widocznego obrazu: model przewodnika samoistnego. Po prawej stronie atomów pojawiają się dwa poziome prostokąty jeden nad drugim. U góry znajduje się prostokąt niebieski a pod nim fioletowy. Nad niebieskim prostokątem widać biały napis pasmo przewodnictwa. Pomiędzy prostokątami w wolnej czarnej przestrzeni widoczny jest biały napis pasmo wzbronione a pod fioletowym prostokątem widoczny jest biały napis pasmo walencyjne. Prostokąty symbolizują pasma, czyli zakresy energii jakie mogą przyjmować elektrony znajdujące się w nich. Po lewej stronie atomów krzemu pojawia się biały napis temperatura zero kelwinów. W tej temperaturze wszystkie elektrony znajdują się w paśmie walencyjnym a pole elektryczne nie może mienić ich położenia ani pędu. Zatem, jeżeli nie ładunki w postaci elektronów nie mogą się poruszać, to nie może w takim materiale płynąć prąd elektryczny będący ukierunkowanym ruchem ładunków. Po chwili na ekranie zaprezentowane jest sytuacja, w której temperatura wzrasta z zera kelwinów do temperatury pokojowej. Informacja taka pojawia się w postaci białego napisu po prawej stronie od atomów krzemu. W takim przypadku część elektronów przechodzi z pasma walencyjnego, przez pasmo wzbronione czyli obszar pomiędzy prostokątami niebieskim i fioletowym do pasma przewodnictwa. Część elektronów znajdujących się w niebieskich elipsach pomiędzy atomami krzemu zaczyna się z nich uwalniać i odlatywać a na ich miejscu powstaje czerwona kulka symbolizująca dziurę elektronową. Dziura elektronowa to miejsce pozostałe po brakującym elektronie walencyjnym. Dziura elektronowa również jest ładunkiem elektrycznym o wartości dodatniej równej ładunkowi elektronu. Jeżeli będzie się ona poruszać to także powstanie prąd elektryczny płynący w kierunku przeciwnym do tego wywołanego ruchem elektronów. Elektrony walencyjne wybijane są z atomów pod wpływem energii termicznej dostarczanej z otoczenia lub wskutek wzbudzeń fotonowych. Uwalnianie elektronów jest samoistne. Liczba wybitych elektronów rośnie wraz z temperaturą, ponieważ w wyższej temperaturze do atomów dostarczana jest większa ilość energii termicznej. Zatem w wyższej temperaturze więcej ładunków w postaci elektronów i pozostałych po nich dziur elektronowych poddana jest ruchowi. Skutkiem tego jest zwiększone przewodnictwo prądu elektrycznego, który zależ od ilości poruszających się ładunków i oraz ich ruchliwości, która na animacji zaprezentowana jest w postaci szybciej poruszających się niebieskich kulek reprezentujących elektrony. Warto wiedzieć, że najpopularniejszymi materiałami półprzewodnikowymi stosowanymi w elektronice są właśnie krzem i german. Na białym tle widoczny jest niebieski i umieszczony centralnie napis Fizyka dziewięćset pięćdziesiąt kapsułek. Poniżej widoczne są trzy loga. W lewym dolnym rogu ekranu logo wydziału fizyki politechniki warszawskiej zawierające czarny kontur falistego kształtu otoczony czarnym prostokątem oraz czarny napis Wydział Fizyki Politechnika Warszawska. Na środku ekranu na dole znajduje się logo zawierające niebieski trapez o pionowych podstawach na tle którego widać trzy gwiazdki: białą, żółta i czerwoną. Obok znajduje sina Czarny napis Fundusze Europejskie Wiedza Edukacja Rozwój. W prawym dolnym rogu znajduje się Czarny napis Unia Europejska po której prawej stronie widoczna jest flaga Unii Europejskiej.
Polecenie 1
R1I8Y5HJ2pHjJ
Uzupełnij tekst. Atom krzemu ma Tu uzupełnij elektronów znajdujących się na Tu uzupełnij powłokach elektronowych. Na powłoce Tu uzupełnij znajdują się cztery elektrony, które tworzą wiązania Tu uzupełnij. Zakres energii niedozwolonych dla elektronów w półprzewodniku nosi nazwę pasma Tu uzupełnij.
Polecenie 2
R1K5LIYqg3178
Półprzewodnikami samoistnymi są: Możliwe odpowiedzi: 1. Krzem, 2. German, 3. Lit, 4. Glin, 5. Arsen, 6. Potas