1
Materia skondensowana
Ciała stałe: kryształy, polikryształy, ciała bezpostaciowe
Ciała niekrystaliczne
(np. szkło)
uporz
ą
dkowanie atomowe nie rozci
ą
ga si
ę
na
du
ż
e odległo
ś
ci.
Atomy w
krysztale
uło
ż
one s
ą
w
powtarzaj
ą
cy si
ę
regularny wzór zwany
sieci
ą
krystaliczn
ą
Polikryształy
ciała zbudowane z bardzo
wielu malutkich kryształków.
c
b
a
R
3
2
1
n
n
n
+
+
=
a, b, c –wektory translacji, n
1
, n
2
, n
3
- dowolne liczby całkowite
Kryształy:
Położenia cząstek (atomów) w sieci:
2
Komórki elementarne - sieci Bravais'go
1. Układ sze
ś
cienny
1.1 sie
ć
prosta
1.2 sie
ć
centrowana
obj
ę
to
ś
ciowo
1.3 sie
ć
centrowana
płasko
2. Układ tetragonalny
3. Układ rombowy
4. Układ jednosko
ś
ny
5. Układ trójsko
ś
ny
6. Układ
romboedryczny
7. Układ
heksagonalny
14 sposobów takiego wypełnienia przestrzeni
Dwa atomy Cu w dużej odległości
Każdy atom ma taki sam rozkład 29
elektronów na powłokach
Atomy „nie widzą się”
chmury
elektronowe są odseparowane
Kwantowo
funkcje falowe elektronów
nie przekrywają się
Poziomy energetyczne w ciałach stałych
Zbliżamy atomy
tworzymy sieć krystaliczną
Zewnętrzne orbitale
nakładają się
(przekrywają się funkcje
falowe zewnętrznych elektronów)
Zamiast 2 niezależnych atomów mamy
układ 2-atomowy
zawierający 2*29 = 58 elektronów
Zakaz Pauliego
każdy elektron w innym stanie kwantowym
W sieci N atomowej każdy poziom energetyczny rozdziela się na
N poziomów
(N jest rzędu 10
24
)
!!!
Tworzą się
pasma
energetyczne
oddzielone
przerwami energetycznymi
.
3
R(A)
E
0
5
10
15
20
Energia
stany
puste
stany
zapełnione
Przekrywanie chmur elektronowych
(funkcji falowych) zale
ż
y od odległo
ś
ci
mi
ę
dzy orbitalami.
Pasma o ni
ż
szej energii s
ą
w
ęż
sze
Widmo energetyczne
pojedynczego atomu i kryształu.
Pasmo energetyczne to zbiór bardzo blisko siebie poło
ż
onych stanów
elektronów.
Pasmo przewodnictwa;
istniej
ą
wolne
poziomy energetyczne: elektrony mog
ą
do
nich przej
ść
, co oznacza,
ż
e przewodz
ą
pr
ą
d
Pasmo walencyjne;
je
ś
li wszystkie dozwolone
poziomy energetyczne s
ą
zaj
ę
te, to elektrony,
mimo ich ruchu, nie przewodz
ą
pr
ą
du
Przerwa wzbroniona;
elektrony nie mog
ą
mie
ć
energii z tego zakresu
Poziom Fermiego;
najwy
ż
sza energia któr
ą
mog
ą
mie
ć
elektrony w przewodniku w
temperaturze 0K
Energia
stany puste
stany
zapełnione
4
Szeroko
ść
pasm energetycznych i poło
ż
enie poziomu Fermiego okre
ś
la
wi
ę
kszo
ść
własno
ś
ci elektronowych materiału
(
)/
1
( )
1
n
E
kT
f E
e
µ
−
=
+
Rozkład Fermiego Diraca –
prawdopodobie
ń
stwo uzyskania przez elektron
okre
ś
lonej energii E.
0
0
F
F
E
dla
T
K
E
dla
T
K
µ
µ
=
=
≈
>
µ
−
potencjał chemiczny,
dla którego
f
n
= ½
(
)/
1
( )
1
F
n
E E
kT
f E
e
−
=
+
Napi
ę
cie kontaktowe po zetkni
ę
ciu dwóch metali
Elektrony znajduj
ą
ce si
ę
w materiale o wy
ż
szym poziomie Fermiego maj
ą
wi
ę
ksz
ą
energi
ę
ni
ż
elektrony w materiale o ni
ż
szej energii Fermiego. Zetkniecie obu materiałów powoduje
wi
ę
c ruch elektronów, który ustanie dopiero po wyrównaniu si
ę
poziomów Fermiego w obu
materiałach. Materiał, z którego odeszły elektrony b
ę
dzie miał ładunek dodatni , a materiał
do którego przenikn
ę
ły elektrony b
ę
dzie miał ładunek ujemny.
5
Pasma metali i półprzewodników (izolatorów)
pasmo przewodnictwa
cz
ęś
ciowo zapełnione
pasmo przewodnictwa
puste
Krzem E
g
= 1.2 eV
Diament E
g
= 5.5 eV
Opór wła
ś
ciwy
ρρρρ
w zale
ż
nosci od
temperatury
Np. german i krzem
IV grupa układu okresowego (4
elektrony walencyjne).
Wszystkie elektrony walencyjne bior
ą
udział w wi
ą
zaniach
wi
ę
c brak jest elektronów swobodnych.
Wzbudzenia
(np. termicznie) elektronu
walencyjnego
staje
się on swobodnym elektronem
przewodnictwa
w powłoce
walencyjnej powstaje puste miejsce po elektronie nazywane
dziurą
.
Półprzewodniki
samoistne
Własno
ś
ci półprzewodników
,
(
)/
1
( )
exp
1
F
F
n
E E
kT
E
E
f E
e
kT
−
−
=
≈
+
(
)/
1
( )
exp
1
F
F
p
E E
kT
E
E
f
E
e
kT
− −
−
=
≈
+
dla elektronów:
dla dziur:
/
1
F
gdy
E
kT
<<
6
półprzewodnik typu n
(donorowe): domieszka
pierwiastka o wyższej
wartościowości
Si + P:
E
g
= 1.2 eV
E
d
= 0.045 eV
półprzewodnik typu p
(akceptorowe): domieszka
pierwiastka o niższej
wartościowości
Si + Al:
E
g
= 1.2 eV
E
a
= 0.067 eV
Domieszkowanie półprzewodników
1) Dioda - zł
ą
cze p - n
Ruch no
ś
ników
wi
ę
kszo
ś
ciowych
(elektronów i dziur)
przez zł
ą
cze tworzy
pr
ą
d dyfuzji I
dyf
w zł
ą
czu tworzy si
ę
przestrzenny rozkład ładunku.
Z rozkładem przestrzennym ładunku zwi
ą
zana jest
ró
ż
nica potencjałów V
0
, która działa jako
bariera
dla
no
ś
ników wi
ę
kszo
ś
ciowych.
Ró
ż
nica potencjałów V
0
nie przeszkadza przepływowi
ładunków
mniejszo
ś
ciowych
pr
ą
d dryfu I
u
(unoszenia)
.
W stanie równowagi I
dyf
= I
u
I
wyp.
= 0
Zastosowania półprzewodników:
7
Zwiększona
wysokość
bariery potencjału V
0
prąd nośników
większościowych maleje
.
Mały, wypadkowy prąd
wsteczny I
B
płynie przez
złącze
polaryzacja w kierunku zaporowym
Różnica potencjałów V
0
nie wpływa na przepływ ładunków
mniejszościowych
prąd unoszenia nie
zmienia
.
Zmniejszona
wysokość bariery
potencjału V
0
prąd
nośników
większościowych
rośnie
.
Duży, wypadkowy
prąd I
F
płynie
przez złącze
polaryzacja w kierunku przewodzenia
Charakterystyka diody
8
2) Dioda LED -dioda elektroluminescencyjna
Przy silnym domieszkowaniu
bardzo du
ż
a g
ę
sto
ść
elektronów w „n” i dziur w „p”
warstwa zaporowa bardzo w
ą
ska (rz
ę
du
µµµµ
m)
wiele procesów rekombinacji elektron - dziura
emisja
ś
wiatła
Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w
Instytucie Wysokich Ci
ś
nie
ń
PAN, słu
ż
y do
budowy niebieskich laserów
Lasery wytwarzane na azotku galu emituj
ą
ś
wiatło
w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebiesko-
zielonego (370-500 nm),
3) Laser półprzewodnikowy – LED z emisj
ą
wymuszona
Dioda LED, laser
półprzewodnikowy
CD
9
tranzystor pnp
dioda do której
doł
ą
czono obszar p
(kolektor)
V
b
w kierunku przewodzeni
du
ż
y pr
ą
d (dziurowy)
z emitera do bazy
Baza jest bardzo cienka
99% dziur przechodzi do kolektora,
1% wypływa z bazy (I
be
).
be
ke
/ I
I
=
β
współczynnik wzmocnienia pr
ą
du
W typowych tranzystorach
β
= 100.
Na
wej
ś
ciu
tranzystora pr
ą
d I
be
(sygnał zmienny o danej charakterystyce)
na
wyj
ś
ciu
tranzystora pr
ą
d I
ke
o takiej samej charakterystyce ale 100 razy silniejszy.
4) Tranzystor bipolarny
Zasada działania tranzystora polowego złączeniowego
– JFET (junction gate field-effect transistor):
a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie się warstwy zaporowej w wyniku
przyłożonego napięcia U
DS
, c) odcięcie kanału (Y), d) nasycenie
tranzystora, Up = UGsoff – napięcie odcięcia kanału
5) Tranzystor polowy
dren (ang. drain, ozn. D);
ź
ródło (ang. source, ozn.
S) oraz bramka (ang. gate, ozn. G)
Tranzystory z izolowan
ą
bramk
ą
MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)
10
ZAPIS BITOWY INFORMACJI
Najbardziej rozpowszechniony zapis informacji:
bit - postać zero-jedynkowa: dowolny układ ma dwa możliwe stany i jeden
z nich traktowany jest jako "1", a drugi "0". (Bajt to 8 bitów)
pamięć magnetyczna
pamięć
półprzewodnikowa
lub
To jaki układ dwustanowy wybierze się do reprezentacji pamięci zależy od
trzech czynników:
gęstości upakowania tych układów
szybkości dostępu (zapisu i odczytu)
ceny
6) FLASH MEMORY (Pen Drive)
MOSFET tranzystor z dodatkową bramką :
float gate
S
D
Zwykła bramka: kontroluje
przepływ prądu S-D
Bramka pływająca: można tu gromadzić
ładunek (który nie zmienia się latami);
obecność tego ładunku zmienia wartość
napięcia progowego G wyzwalającego
przepływ prądu
Zapis informacji:
Duże dodatnie
napięcie
przyłożone do CG
powodują
ładowanie
elektronami FG
Kasowanie
informacji:
Duże ujemne
napięcie
przyłożone do CG
powodują
tunelowanie
elektronów z FG
do podłoża
(przy odczycie
kanał się otworzy)
6) FLASH MEMORY (Pen Drive) – cd.
Odczyt informacji:
Ujemny ładunek na FG zapobiega
otwarciu kanału przy odczycie
11
ZAPIS INFORMACJI - DYSK MAGNETYCZNY
głowica
cylinder
krążek
oś
Konstrukcja: kilka obracających się wspólnie
talerzy wykonanych ze stopu aluminium lub ze
szkła i pokrytych materiałem magnetycznym oraz
warstwami ochronnymi. Ciągle obracające się
talerze (do 15 tyś obrotów na min), umożliwiają
szybkie odszukanie odpowiedniego miejsca na dysku
i zapis informacji.
Pierwszy dysk twardy (1956 r.) zawierał 50
talerzy (o średnicy 60 cm) pokrytych tlenkiem
żelaza. Miał bardzo duże rozmiary i ważył około 1
tony. Pozwalał na zapisanie 5 mln znaków.
Dysk o średnicy rzędu 10 cm, mieści do 70 GB
danych i obraca się z prędkością rzędu 10000
obrotów na minutę. Najnowsze dyski mają
pojemności rzędu TB.
Odległość pomiędzy głowicą, a powierzchnią
talerza wynosi 15 nm tj. 5000 razy mniej
niż średnica ludzkiego włosa.
MATERIAŁ MAGNETYCZNY
12
DYSK MAGNETYCZNY – ZAPIS INFORMACJI
GŁOWICA INDUKCYJNA
mid-1980s Seagate ST-251,
V
V
V
INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA;
Względny ruch przewodnika i pola
magnetycznego wywołują w tym przewodniku
powstanie siły elektromotorycznej i przepływ
prądu.
Prawo Faradaya: Indukowana siła
elektromotoryczna wywołana
zmianą pola magnetycznego jest
równa szybkości zmian strumienia
magnetycznego: :
dt
d
B
Φ
−
=
ε
Głowica indukcyjna oparta o
technologię cienkowarstwowa
13
GIGANTYCZNY MAGNETOOPÓR GMR
Elektrony mają spin: moment magnetyczny.
Spin
elektronu
moment
magnetyczny
przewodnika
Mały
opór
Duży opór
GŁOWICA MAGNETOOPOROWA
Ruch talerza
Namagnesow
ane obszary
Duży opor
Warstwa
swobodna
(sensor)
przewodnik
Warstwa
zaczepiona
(referencyjna)
Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym
wartośc logiczną "1": namagnesowanym tak samo
jak warstwa zaczepiona, to warstwa swobodna
magnesuje się też równolegle do zaczepionej
Mały
opór
Gdy głowica znajduje się nad obszarem mającym
wartośc logiczną "0": namagnesowanym
przeciwnie do warstwy zaczepionej, to warstwa
swobodna magnesuje się też przeciwnie do
zaczepionej
1
0
Duży
opór
14
POJEMNOŚĆ DYSKU MAGNETYCZNEGO
O gęstości zapisu i odczytu informacji
mówi głównie rodzaj głowicy