ΠΑΝΕΠIΣΤΗΜIΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣIΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι ΦΥΣ 302

ΠΑΝΕΠIΣΤΗΜIΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣIΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι ΦΥΣ 302 ΕΑΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ 2012-2013

Πειραματική Φυσική Ι - ΦΥΣ302 Αξιολόγηση: 40 % Τελική εξέταση. 60 % Αναφορές και προφορική εξέταση για κάθε ένα από τα 12 πειράματα. Το κάθε ένα από τα πειράματα αντιστοιχεί με 5% του συνολικού βαθμού σας. 1) Οι Αναφορές παραδίδονται 7 μέρες μετά την διεξαγωγή του πειράματος την ώρα της προφορική εξέτασης. 2) Η προφορική εξέταση θα συμπεριλαμβάνει ερωτήσεις για την πειραματική διάταξη, τα αποτελέσματα, την ανάλυση των αποτελεσμάτων, καθώς και το θεωρητικό υπόβαθρο στο αντίστοιχο πείραμα φυσική. Οι σημειώσεις στην εισαγωγή αυτού του εγχειριδίου είναι απαιτούμενο Υπόβαθρο Θεωρητικής Φυσικής για τα πειράματα του μαθήματος Πειραματική Φυσική Ι - ΦΥΣ302. Βιβλιογραφία: John Wilson - John Hawkes ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ: μια εισαγωγή Mετάφραση: Α. Α. Σεραφετινίδης, Μ. Ι. Μακροπούλου, Α. Παπαγιάννης, Ι. Ζεργιώτη, Ε. Φαμπρικέζη Eπιστημονική επιμέλεια: Α. Α. Σεραφετινίδης Πρωτότυπη έκδοση: Optoelectronics: an introduction, 3rd edition, Prentice Hall, 1998 Έκδοση 2007 Σελίδες: 659 ιάσταση: 17x24 cm Εικόνες: 5 Σχήματα: 370 Πίνακες: 12 ISBN: 978-960-254-669-7 Τιμή: 30 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Γενικοί Κανόνες Ασφάλειας Εισαγωγή 1.0 Στερεά και Ενεργειακές Ζώνες 2.0 Ημιαγωγοί 3.0 Μηχανισμοί Αγωγιμότητας 4.0 Δίοδος Επαφής 5.0 Laser Πειράματα Πείραμα 1 - Οπτική Φασματοσκοπία: Διέλευσης και Αντανάκλασης στον ημιαγωγό Πυριτίου Πείραμα 2 - Χωρικά Χαρακτηριστικά της Δέσμης Laser He-Ne Πείραμα 3 - Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομπής και άλλων πηγών φωτός Πείραμα 4 - Σύζευξη Οπτικών Ινών με Laser Πείραμα 5 - Οπτική Συμβολομετρία με HeNe Laser Πείραμα 6 - Η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μέτρηση του ενεργειακού χάσματος στο Γερμάνιο Πείραμα 7 - Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου Πείραμα 8 - Το Φαινόμενο Του Hall στο p-γερμάνιο Πείραμα 9 - Το Φαινόμενο Του Hall στα Μέταλλα Πείραμα 10 - Το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και ο καθορισμός της σταθεράς του Planck Πείραμα 11 - Ακτίνες-Χ και Μέτρηση της Κβαντικής Σταθεράς του Planck, h Πείραμα 12 - Μικροκύματα 2

Κανόνες Ασφάλειας Για την ομαλή και ασφαλή λειτουργία των Εργαστηρίων είναι απαραίτητη η ενημέρωση τόσο του προσωπικού των εργαστηρίων όσο και των φοιτητών σχετικά με τους ισχύοντες κανόνες ασφάλειας και υγείας του αντίστοιχου εργαστηρίου. Πριν από την έναρξη ενός εργαστηριακού πειράματος είναι απαραίτητη η προσεκτική μελέτη της θεωρίας και του τρόπου διεξαγωγής του πειράματος μέσα στο εργαστήριο. Όταν υπάρχει άγνοια ή αμφιβολία για τον τρόπο χρήσης κάποιας ηλεκτρικής συσκευής, προτιμότερο είναι να ζητηθούν πληροφορίες από τον υπεύθυνο των εργαστηρίων πριν την εκτέλεση του πειράματος. Οι συμμετέχοντες στην εκτέλεση ενός εργαστηριακού πειράματος πρέπει να έχουν υπόψη τους ότι είναι υπεύθυνοι για τη δική τους ασφάλεια και υγεία όπως και την ασφάλεια και υγεία όλων των τρίτων προσώπων που μπορεί να επηρεαστούν μέσα ή έξω από το εργαστήριο. Για το λόγο αυτό, άγνοια των κανόνων ασφαλείας του εργαστηρίου είναι αδικαιολόγητη και μπορεί να έχει σοβαρές επιπτώσεις όχι μόνο σε μας τους ίδιους αλλά και σε όλους τους άλλους που είναι παρόντες στα εργαστήρια. Σκοπός των κανόνων ασφάλειας και υγείας που ακολουθούν δεν είναι η πρόκληση πανικού αλλά η ενίσχυση της ευχέρειας εκτέλεσης ενός πειράματος στο εργαστήριο, η εξοικείωση με τον τρόπο χρήσης των χημικών ουσιών και συσκευών, αλλά και η ενημέρωση για τους κινδύνους που προκαλούνται από κακή χρήση, ή εξαιτίας της απροσεξίας, αμέλειας και άγνοιας μας. Γενικοί Κανόνες Ασφάλειας 1. Οι κανονικές ώρες εργασίας είναι από Δευτέρα μέχρι Παρασκευή, από 8π.μ. μέχρι 4μ.μ.. Σε περίπτωση που κάποιος επιθυμεί να εργασθεί εκτός του κανονικού ωραρίου (π.χ. μεταπτυχιακοί φοιτητές), θα πρέπει να ζητήσει άδεια από τον υπεύθυνο καθηγητή και να ενημερώσει τον φύλακα. Κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων στο εργαστήριο πρέπει να είναι παρόντα δύο τουλάχιστο άτομα. Οι μέρες και ώρες εργαστηριακής άσκησης των φοιτητών καθορίζονται από την αρχή του εξαμήνου σύμφωνα με το Πρόγραμμα Σπουδών. Η ώρα προσέλευσης και αποχώρησης των φοιτητών πρέπει να τηρείται ακριβώς. Η αποχώρηση γίνεται μετά τη λήξη του χρόνου του πειράματος ή της ολοκλήρωσης του, μετά από ενημέρωση του υπεύθυνου του εργαστηρίου. Δεν επιτρέπεται η απομάκρυνση των φοιτητών από το Εργαστήριο την ώρα εκτέλεσης του πειράματος, εκτός αν δοθεί άδεια από τον υπεύθυνο του Εργαστηρίου. Απαγορεύεται ο πειραματισμός χωρίς εξουσιοδότηση. Ειδικά οι προπτυχιακοί φοιτητές πρέπει να εκτελούν τα πειράματα κάτω από την εποπτεία του διδάσκοντα ή του τεχνικού. Σε περίπτωση ύπαρξης αμφιβολιών για την ασφαλή εκτέλεση ενός πειράματος να ερωτάται ο υπεύθυνος. 2. Πριν από την έναρξη ενός εργαστηριακού πειράματος πρέπει να μελετάται προσεκτικά η θεωρία και ο τρόπος διεξαγωγής του πειράματος μέσα στο εργαστήριο. Επίσης να διαβάζονται προσεκτικά οι οδηγίες χρήσεως των διαφόρων συσκευών/ ειδικών οργάνων προτού χρησιμοποιηθούν για να αποφευχθούν λάθη. Επιπρόσθετα να είστε βέβαιοι ότι βρίσκεστε σε καλή επικοινωνία με το συνάδελφο σας και να ξέρετε ανά πάση στιγμή πιο μέρος του πειράματος εκτελεί. 3. Στην μεμονωμένη περίπτωση που βρείτε κάποια συσκευή χαλασμένη ή ένα όργανο χαλάσει κατά τη διάρκεια του πειράματος, μην προσπαθήσετε να το διορθώσετε μονοί σας, αλλά αναφέρετε το αμέσως τους υπεύθυνους του εργαστηρίου. 3

4. Σε περίπτωση ατυχήματος πρέπει να ειδοποιείται αμέσως ο υπεύθυνος του εργαστηρίου και εν τω μεταξύ να γίνεται προσπάθεια παροχής πρώτων βοηθειών από το προσωπικό του εργαστηρίου, το οποίο έχει ειδικά εκπαιδευτεί. 5. Οι πάγκοι στους οποίους γίνεται η εργασία πρέπει να είναι πάντα καθαροί και τακτοποιημένοι. Ντουλάπια και συρτάρια που δεν χρησιμοποιούνται άμεσα, να παραμένουν κλειστά. Τα μακριά μαλλιά πρέπει να δένονται πίσω για να αποφευχθεί ο κίνδυνος να καούν ή να περιπλεχθούν σε περιστρεφόμενα μέρη μηχανημάτων, χημικά όργανα, χημικές συσκευές, ή να έρθουν σε επαφή με χημικές ουσίες. 6. Απαγορεύεται αυστηρά το φαγητό, το ποτό καθώς και το κάπνισμα στους χώρους των εργαστηρίων. Τα χέρια πρέπει να πλένονται πολύ καλά πριν την αναχώρηση από το εργαστήριο. Ποτέ δεν πρέπει να τοποθετούνται στο στόμα χημικές ή ραδιενεργές ουσίες και να αποφεύγεται η επαφή τους με το δέρμα. 7. Η πληροφόρηση του υπευθύνου για τυχόν αλλεργίες ή ευαισθησίες σε χημικές ουσίες που πιθανό να έχουν οι ασκούμενοι καλύτερα να γίνεται στην αρχή του εξαμήνου. 8. Κάθε συμβάν πρέπει να καταχωρείται στο Βιβλίο Περιστατικών του Εργαστηρίου. 9. Στα πειράματα όπου απαιτείται υψηλή τάση, η παροχή (άνοιγμα - κλείσιμο της υψηλής τάσης) πρέπει να γίνεται από τον εντεταλμένο τεχνικό του εργαστηρίου. Ποτέ δεν αγγίζουμε τις επαφές των καλωδίων παροχής υψηλής τάσης ενόσω το τροφοδοτικό (power supply) είναι σε λειτουργία. Ποτέ δεν σβήνουμε το τροφοδοτικό ενόσω είναι ανοικτό και ρυθμισμένο για παροχή υψηλής τάσης. 10. Βεβαιωθείτε ότι γνωρίζεται τη θέση που βρίσκονται οι πυροσβεστήρες και το κουτί πρώτων βοηθειών. Οι πυροσβεστήρες βρίσκονται σε ευδιάκριτα σημεία στους χώρους των εργαστηριών και το κουτί των πρώτων βοηθειών στο γραφείο τεχνικής υποστήριξης. 11. Βεβαιωθείτε ότι γνωρίζεται και είστε εξομοιωμένοι με το Σχέδιο Άμεσης δράσης σε περίπτωση εκτάκτου ανάγκης. Θα πρέπει να γνωρίζεται τις δύο εξόδους διαφυγής σε κάθε εργαστήριο, καθώς επίσης τη διαδρομή διαφυγής και τον χώρο συγκέντρωσης. Το σχέδιο Άμεσης Δράσης είναι αναρτημένο δίπλα από την κύρια είσοδο κάθε εργαστηρίου. Ειδικοί Κανόνες Ασφάλειας για τα εργαστήρια Στερεάς Καταστασης Α Ειδικές προφυλάξεις Τα καθίσματα του εργαστηρίου έχουν τροχούς. Σε καμιά περίπτωση δεν θα πρέπει κάποιος να ανεβεί σε αυτά Η ένταση της ακτινοβολίας των Μικροκυμάτων που χρησιμοποιείτε στα πειράματα ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΑ Ι ΚΑΙ ΙΙ είναι μέσα στα ασφαλή όρια. Παρόλα αυτά ΠΟΤΕ δεν πρέπει να κοιτάζεται απευθείας από μικρή απόσταση τη χοάνη του πομπού όταν αυτός είναι ενεργοποιημένος. 4

Β Lasers Η έκθεση σε ακτινοβολία Laser μπορεί να είναι επικίνδυνη στην όραση ακόμα και εάν και η ένταση της δέσμης είναι μικρής ισχύος. Στην περίπτωση όπου το Laser παράγει ακτινοβολία στο μη ορατό φάσμα, το άτομο που έχει εκτεθεί στην ακτινοβολία, μπορεί να μην έχει αντιληφθεί τη βλάβη που έχουν υποστεί τα μάτια του. Σε άλλες περιπτώσεις, μερικά λέιζερ είναι τόσο ισχυρά που ακόμα και η διάχυτη αντανάκλαση από μια επιφάνεια μπορεί να είναι επικίνδυνη στο μάτι. Η ακτινοβολία λέιζερ προκαλεί κυρίως τον τραυματισμό ματιών μέσω των θερμικών επιδράσεων στον αμφιβληστροειδή. Μια παροδική αύξηση μόνο 10 C μπορεί να καταστρέψει αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού. H φύση της ακτινοβολίας του Laser (μεγάλη ένταση και μεγάλη συγκέντρωση δέσμης) καθώς και ο μηχανισμός εστίασης του ματιού έχουν σαν αποτέλεσμα ότι η ακτινοβολία του λέιζερ μπορεί να συγκεντρωθεί σε ένα εξαιρετικά μικρό σημείο στον αμφιβληστροειδή. Εάν το Laser είναι αρκετά ισχυρό, η μόνιμη ζημία μπορεί να εμφανιστεί μέσα σε κλάσματα δευτερολέπτου, γρηγορότερα από το ανοιγοκλείσιμο ενός ματιού. Τα Laser που χρησιμοποιούμε στο Εισαγωγικό εργαστήριο Οπτικής και Κυματικής είναι Class 2 Lasers. Αυτή η κατηγορία των Laser είναι ασφαλή επειδή το ακούσιο ανοιγοκλείσιμο των ματιών θα περιορίσει την έκθεση σε λιγότερο από 0,25 δευτερόλεπτα. Στην περίπτωση όπου σκόπιμα καταστείλουμε το ακούσιο ανοιγοκλείσιμο των ματιών τότε θα μπορούσε να προκληθεί ζημία των ματιών. Για να εκτελούμε με ασφάλεια τα πειράματα με Lasers πρέπει να ακολουθούμε τους εξής κανόνες: ΠΟΤΕ μην κοιτάζετε απευθείας την ακτίνα του Laser, έστω και εάν είναι χαμηλής έντασης. ΠΟΤΕ μην στρέφετε την ακτίνα Laser προς άλλα άτομα, έστω και να είναι χαμηλής έντασης. ΠΡΟΣΟΧΗ ΑΠΟ ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ ΤΟΥ LASER. Τα πιο πολλά ατυχήματα προκαλούνται από ακτίνες που ανακλώνται και διασκορπίζονται από τον εξοπλισμό γύρω τους και η πορεία τους είναι απρόβλεπτη. ΠΟΤΕ μην σκύβετε το κεφάλι σας στο επίπεδο της ακτίνας. Διατηρείτε την πορεία της ακτίνας πάντα στο επίπεδο του στήθους έτσι ώστε το κεφάλι σας να είναι πάνω από το επίπεδο αυτό όταν στέκεστε και κάτω όταν κάθεστε. ΠΟΤΕ, μην φέρνετε τα μάτια σας κοντά στην πορεία της ακτίνας του Laser. Γ. Χρήση ηλεκτρικών συσκευών Στα κυκλώματα των ασκήσεων του Εργαστηρίου χρησιμοποιούνται χαμηλές τάσεις. Παρόλο που ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας είναι σαφώς μικρότερος του αντίστοιχου που έχουμε στο σπίτι μας, είναι απαραίτητη η προσοχή μας ιδίως στην σύνδεση οργάνων στο δίκτυο. Ποτέ δεν τοποθετείται στη πρίζα ένα κύκλωμα πριν ο Επιβλέποντας το ελέγξει. Ποτέ δεν βάζουμε στη πρίζα ένα κύκλωμα πριν ο Επιβλέποντας το ελέγξει! Οι συσκευές πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο σύμφωνα με τις οδηγίες χρήσης της κάθε μίας από αυτές. Πρέπει να διακόπτεται η παροχή προς όλες τις ηλεκτρικές συσκευές όταν αποχωρούν οι εργαζόμενοι από το εργαστήριο. Η διακοπή του ρεύματος θα πρέπει να γίνεται από το 5

διακόπτη της κάθε συσκευής και όχι από τη πρίζα παροχής ρεύματος. Μην προσπαθείτε να μετακινήσετε ένα όργανο ή να αφαιρέσετε μια πρίζα τραβώντας το καλώδιο. Όλα τα ηλεκτρικά όργανα πρέπει να είναι κατάλληλα γειωμένα. Επικίνδυνοι μπορούν να αποδειχθούν και οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές που πρέπει να αποφορτίζονται μετά τη χρήση τους. Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές πρέπει να ελέγχονται περιοδικά, έστω κι αν δεν χρησιμοποιούνται. Πρέπει να γίνεται έλεγχος και για: o Φθαρμένα και γυμνά σύρματα. o Αντιστάσεις ικανοποιητικής τιμής. o Συρόμενα και εύκαμπτα ηλεκτρικά καλώδια. o Σημεία υπερθέρμανσης στο ρευματολήπτη (πρίζα). Εάν παρατηρήσετε οτιδήποτε από τα πιο πάνω, ειδοποιήστε αμέσως τον υπεύθυνο του εργαστηρίου. Ποτέ δεν τοποθετούμε μια ηλεκτρική συσκευή στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, εάν δεν βεβαιωθούμε για την περιοχή τάσης λειτουργίας της συσκευής και για τη σύνδεση της με το σωστό ρευματολήπτη (πρίζα) Σε περίπτωση ηλεκτροπληξίας κλείνουμε την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας ενεργοποιώντας (πατώντας) τον ειδικό διακόπτη (emergency switch). Χρήση οβίδων αερίων. Ατυχήματα είναι δυνατό να προκληθούν και από κυλίνδρους αερίων. Ιδιαίτερη προσοχή επιβάλλεται σε ότι αφορά τα εξής σημεία: 1. Το κλειδί του κυλίνδρου πρέπει είναι προσαρμοσμένο στον κύλινδρο για έκτακτες περιπτώσεις. 2. Οι βαλβίδες πρέπει να ανοίγονται σιγά-σιγά. 3. Οι φιάλες πρέπει να είναι αποθηκευμένες με ασφάλεια (προσδεμένες) και τοποθετημένες κατακόρυφα. 4. Πρέπει να χρησιμοποιείται ρυθμιστής πίεσης. 5. Να μην τοποθετείται ποτέ γράσο στη βαλβίδα ή στο ρυθμιστή για ευκολότερο βίδωμα. Το οξυγόνο σχηματίζει εκρηκτικές ενώσεις με πολλά λιπαντικά, όπως π.χ. τη βαζελίνη. Ε. Αντιμετώπιση φωτιάς στο εργαστήριο. Εάν προκληθεί φωτιά στο εργαστήριο, πρώτα απ όλα κλείνουμε την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο εργαστήριο, ενεργοποιώντας (πατώντας) τον ειδικό διακόπτη (emergency switch). Εάν η φωτιά είναι μικρών διαστάσεων, πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι πυροσβεστήρες ή οι ειδικές κουβέρτες για την κατάσβεση της. 6

Αν η φωτιά είναι μεγάλων διαστάσεων πρέπει να εκκενωθεί αμέσως το εργαστήριο να ειδοποιηθούν τα άτομα βρισκόμενα σε άλλα κτίρια του Πανεπιστημίου και να κληθεί η πυροσβεστική. Σε αυτή την περίπτωση όλοι οι χρήστες των εργαστηρίων θα πρέπει να μαζευτούν στο προκαθορισμένο σημείο σύναξης. Οι παρόντες καθηγητές του Τμήματος είναι υπεύθυνοι να βεβαιωθούν ότι η εκκένωση έχει γίνει κανονικά. Σε περίπτωση φωτιάς από ηλεκτρικά αίτια όπως το βραχυκύκλωμα, να μη χρησιμοποιηθεί νερό για το σβήσιμό της, αλλά οι πυροσβεστήρες που υπάρχουν στους χώρους των εργαστηρίων. Για τα διάφορα είδη φωτιάς υπάρχουν και οι αντίστοιχοι πυροσβεστήρες: 1. Νερό - Είναι κατάλληλο για στερεά υλικά όπως ξύλο, χαρτί, ύφασμα, πλαστικό και ακατάλληλο για φωτιά από ηλεκτρισμό και από εύφλεκτα υγρά. 2. CΟ 2 - Είναι κατάλληλος για μικρές φωτιές από λάδι, εύφλεκτες ουσίες και για φωτιές από ηλεκτρικά αίτια. Είναι ακατάλληλος για φωτιές μετάλλων και στερεών υλικών. 3. Στεγνή σκόνη - Είναι κατάλληλη για φωτιές από εύφλεκτες ουσίες, λάδι, ηλεκτρικά αίτια, και για φωτιές στην επιφάνεια στερεών υλικών. Είναι ακατάλληλη για φωτιές σε μέταλλα και για φωτιές που έχουν ήδη εισχωρήσει σε στερεά υλικά. 4. BCF - Είναι κατάλληλος για μικρής έκτασης φωτιές που προκαλούνται από εύφλεκτα υλικά, ή λόγω ηλεκτρικών αιτίων. Μετά από χρήση του σε κλειστό χώρο πρέπει να λαμβάνονται τα κατάλληλα μέτρα εξαιτίας των τοξικών παραγώγων. ΣΤ. Περιπτώσεις ατυχημάτων και πρώτες βοήθειες Αν παρ όλη την προσεκτική εφαρμογή όλων των κανόνων ασφάλειας συμβεί ένα ατύχημα στο Εργαστήριο θα πρέπει να είμαστε έτοιμοι να το αντιμετωπίσουμε. Απαράβατος κανόνας πριν από όλα είναι: ΟΧΙ ΠΑΝΙΚΟΣ. Σύντομες οδηγίες για τις κυριότερες περιπτώσεις ατυχημάτων που πιθανόν να συμβούν στο εργαστήριο δίνονται παρακάτω: 1. Εγκαύματα από φωτιά. Επιφανειακά εγκαύματα ξεπλένονται με άφθονο κρύο νερό για περίπου δέκα λεπτά για να αφαιρεθεί όσο το δυνατό περισσότερη θερμότητα. Να μην χρησιμοποιείται λάδι ή αλοιφή για τα εγκαύματα. Σε περίπτωση σοβαρών εγκαυμάτων να ξεπλένονται με νερό και να μεταφερθεί αμέσως ο παθών στο γιατρό. 2. Χημικά εγκαύματα. Σε περίπτωση εγκαυμάτων από χημικές ουσίες να χρησιμοποιήσετε άφθονο τρεχούμενο νερό για να αραιωθεί και να απομακρυνθεί το καυστικό υλικό, για περίπου είκοσι λεπτά. Σε σοβαρές περιπτώσεις ο ασθενής πρέπει να μεταφερθεί στο νοσοκομείο και μαζί να σημειώσετε το όνομα της ουσίας που προκάλεσε το έγκαυμα. 7

3. Τραυματισμός στο μάτι. Αν μπει κάποια χημική ουσία στο μάτι, πρέπει να ξεπλυθεί κάτω από όχι έντονα τρεχούμενο κρύο νερό για τουλάχιστο 10 λεπτά ή χρησιμοποιώντας τις ειδικές συσκευές που βρίσκονται στις βρύσες των εργαστηρίων. Αν είναι σοβαρό να ζητηθεί ιατρική βοήθεια. Αν μπει γυαλί στο μάτι δεν πρέπει να ξεπλυθεί με νερό. Αντίθετα, τοποθετήστε επίδεσμο για να παραμείνει κλειστό και ζητήστε ιατρική βοήθεια. 5. Κοψίματα. Σε περίπτωση μικρής πληγής που προκαλείται συνήθως από θραύσματα γυαλιού, αφαιρούνται αρχικά τα θραύσματα που φαίνονται και στη συνέχεια απολυμαίνεται η πληγή και επιδένεται με αποστειρωμένη γάζα και το τραυματισμένο μέλος ανυψώνεται. Σε περίπτωση που το κόψιμο είναι βαθύ και η αιμορραγία μεγάλη σταματούμε τη ροή του αίματος πιέζοντας στο κατάλληλο σημείο την φλέβα και το επιδένουμε μέχρι ο παθών να οδηγηθεί στο γιατρό. Η πίεση δεν πρέπει να ασκείται για περισσότερο από 10 συνεχόμενα λεπτά 6. Ηλεκτροπληξία. Σε περίπτωση ατυχήματος με κάποια ηλεκτρική συσκευή (ηλεκτροπληξία) διακόπτουμε άμεσα την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος στο εργαστήριο ενεργοποιώντας το Emergency Switch. Εάν κάποιος εργαζόμενος έχει υποστεί ηλεκτροπληξία τον τοποθετούμε σε ένα ασφαλές και δροσερό μέρος, συστήνοντας του να ξεκουραστεί, και ειδοποιούμε αμέσως τις πρώτες βοήθειες. Στην ακραία περίπτωση όπου ο εργαζόμενος έχει χάσει τις αισθήσεις του, του ανοίγουμε τις αναπνευστικές οδούς, ελέγχουμε την αναπνοή και το σφυγμό και ετοιμαζόμαστε για καρδιοαναπνευστική αναζωογόνηση αν χρειαστεί, μέχρι να φτάσουν οι πρώτες βοήθειες. 7. Πυρκαγιά Για να έχουμε φωτιά, χρειάζεται να συνυπάρχουν 3 προϋποθέσεις (α) το κατάλληλο εύφλεκτο υλικό (β) το οξυγόνο και (γ) η υψηλή θερμοκρασία. Όταν έστω και ένας από τους παραπάνω 3 παράγοντες δεν υπάρχει τότε δεν έχουμε φωτιά. Ειδικά πρέπει να προσέχουμε τα εύφλεκτα υλικά (π.χ. οινόπνευμα). Φυσικά οι δύο πρώτοι παράγοντες πάντα υπάρχουν, άρα ο τρίτος είναι ο κύριος κίνδυνος ώστε να εκδηλωθεί φωτιά στο εργαστήριο. Αν απομακρύνομε έναν από τους τρεις αυτούς παράγοντες τότε η φωτιά θα σβήσει. Στο χώρο του Εργαστηρίου, λόγω της ύπαρξης ηλεκτρικού ρεύματος, απομακρύνομε το οξυγόνο από την φωτιά με την χρήση των ειδικών πυροσβεστήρων. Υπάρχουν πολλοί πυροσβεστήρες κατάλληλου τύπου που κάνουν και για χρήση με παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος. Το πυροσβεστικό υλικό για να έχει αποτελεσματικότητα θα πρέπει να κατευθύνεται στη βάση της φωτιάς (όπου γίνεται η καύση του υλικού) και ότι ο χρόνος εκροής είναι ~30-40 δευτερόλεπτα μόνο! Να θυμάστε επίσης ότι ο χρόνος είναι ουσιαστικό στοιχείο της αντιμετώπισης μιας πυρκαγιάς. Οι πυροσβέστες, για να τονίσουνε το θέμα της άμεσης αντίδρασης σε περίπτωση φωτιάς, αναφέρουνε μισοσοβαρά μισοαστεία ότι «το πρώτο λεπτό η φωτιά σβήνει με ένα ποτήρι νερό, το 5' με πυροσβεστήρα και μετά από 15-20 λεπτά μόνο με παρέμβασή τους!». Προφανώς άμεση πρέπει να είναι, εφόσον απαιτείται, και η κλήση της Πυροσβεστικής Υπηρεσίας στο 199 ή 112, προσδιορίζοντας με ακρίβεια τόπο και ειδικές συνθήκες / υλικά στο χώρο της φωτιάς. 8

8. Σεισμός Ισχύουν οι οδηγίες της Πολιτικής Άμυνας προς το πληθυσμό. Την ώρα του σεισμού καλυφθείτε αμέσως κάτω από ένα από τους Εργαστηριακούς πάγκους και απομακρυνθείτε από τζαμαρίες και βαριές Οργανοθήκες. Μη τρέξετε προς την έξοδο. Μετά το πέρας του σεισμού, αν χρειάζεται, βγαίνετε χωρίς πανικό από το κτίριο ακολουθώντας τη πορεία διαφυγής που είναι αναγραμμένη στο Σχέδιο Διαφυγής (είναι αναρτημένο στην είσοδο κάθε εργαστηρίου). Αν υπάρχει ανάγκη βοηθείας προς άλλα άτομα προσπαθείτε να τη προσφέρετε στο μέτρο του δυνατού. Καλείτε αν χρειάζεται Ασθενοφόρο. Καταφεύγετε στη συνέχεια στο προκαθορισμένο χώρο συγκέντρωσης στην πρόσοψη του χτιρίου 9

Εισαγωγή 1.0 Στερεά και Ενεργειακές ζώνες... 12 1.1 Το ηλεκτρικό πεδίο... 12 1.2 Η φύση του ατόμου... 14 1.3 Η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων... 16 1.4 Οι ενεργειακές ζώνες στα στερεά... 18 1.5 Αγωγοί μονωτές ημιαγωγοί... 19 2.0 Ημιαγωγοί... 21 2.1 Ενδογενείς ημιαγωγοί... 21 2.2 Ημιαγωγοί τύπου n... 21 2.3 Ημιαγωγοί τύπου p... 22 2.4 Η συνάρτηση Fermi-Dirac... 23 2.5 Η ενέργεια Fermi και η συγκέντρωση φορέων... 24 2.6 Η ενέργεια Fermi σε ημιαγωγό με προσμίξεις... 28 3.0 Μηχανισμοί Αγωγιμότητας... 29 3.1 Αγωγιμότητα στους ημιαγωγούς... 29 3.2 Ρεύμα μετατόπισης... 29 3.2 Φαινόμενο Hall... 31 3.3 ιαμόρφωση της Αγωγιμότητας... 33 3.4 Γέννηση και επανασύνδεση φορέων... 36 3.5 Ρεύμα διάχυσης... 38 3.6 Η εξίσωση συνέχειας... 38 3.7 Κατανομή της συγκέντρωσης οπών σε ημιαγωγό n... 39 4.0 Η Δίοδος Επαφής... 41 4.1 Η επαφή p-n... 41 4.2 Η ενεργειακή δομή επαφής p-n... 43 4.3Ρεύµατα µέσα σε µια επαφή p-n... 44 4.4 Η εξίσωση τάσης-ρεύματος... 45 4.5 Η χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου... 47 5.0 Laser 49 5.1 Βασικές αρχές των laser... 49 5.2 Αυθόρμητη εκπομπή... 49 5.3 Βασικές αρχές της λειτουργίας των laser... 50 5.3.1 Ενεργό μέσο ή υλικό... 50 5.3.2 Οπτικό αντηχείο... 50 5.3.3 Διαδικασία άντλησης... 52 5.4 Τύποι laser... 52 5.4.1 Laser οπτικής άντλησης:... 52 10

5.4.2 Laser ηλεκτρικής εκκένωσης:... 52 5.4.3 Χημικά laser:... 53 5.4.4 Laser δέσμης ηλεκτρονίων:... 53 5.4.5 Laser διεγερμένων διμερών:... 53 5.4.6 Laser φωτολυτικής άντλησης:... 53 5.4.7 Laser που διεγείρονται από άλλα laser:... 53 5.4.8 Laser ημιαγωγών:... 53 5.5 Ιδιότητες Ακτινοβολίας laser... 54 5.5.1 Μονοχρωματικότητα... 54 5.5.2 Κατευθυντικότητα... 54 5.5.3 Λαμπρότητα... 54 5.5.4 Χωρική-χρονική συμφωνία... 55 5.5.5 Πόλωση... 55 5.6 Εφαρμογές των laser... 55 11

1.0 Στερεά και Ενεργειακές ζώνες 1.1 Το ηλεκτρικό πεδίο Εξ ορισμού ηλεκτρικό πεδίο είναι ο χώρος που έχει την ιδιότητα να ασκεί δυνάμεις σε ηλεκτρικά φορτία που θα βρεθούν μέσα σ' αυτόν. Το ηλεκτρικό πεδίο καθορίζεται πλήρως, αν για κάθε σημείο του πεδίου γνωρίζουμε την ένταση E του πεδίου. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου είναι το διανυσματικό μέγεθος που εκφράζει την δύναμη (F) που ασκεί το πεδίο στη μονάδα θετικού ηλεκτρικού φορ G τίου. Ορίζεται δηλαδή από τη σχέση: F E q Προκειμένου για ομογενές πεδίο, η ένταση είναι σταθερή, ενώ στο πεδίο Coulomb η ένταση προσδιορίζεται από τον νόμο του Gauss που λεει ότι η ολική ηλεκτρική ροή (Φ Ε ) που διέρχεται μέσα από μια κλειστή επιφάνεια είναι ανάλογη του συνολικού φορτίου Q που περικλείεται από την επιφάνεια αυτή. Iσχύει: Έτσι για μια σφαιρική επιφάνεια ακτίνας r γύρω από φορτίο Q όπου για λόγους συμμετρίας η ένταση του πεδίου θα είναι σταθερή, θα ισχύει E 4 r 2 Q 0 Q απ' όπου προκύπτει και ο τύπος για την ένταση του πεδίου Coulomb 1 Q E 2 4 r Στις παραπάνω σχέσεις εο είναι η διηλεκτρική σταθερά του κενού αν υποθέσουμε ότι ο χώρος γύρω από το φορτίο Q είναι το κενό. Η χρήση της έντασης για την περιγραφή ενός πεδίου, απαιτεί για κάθε σημείο του πεδί- ου τρεις μεταβλητές (Τις 3 συνιστώσες της έντασης ), πράγμα όχι τόσο βολικό. Αντ' αυτής, πιο εύχρηστο μέγε- θος για την περιγραφή ενός πεδίου φαίνεται το δυναμικό γιατί σαν μονόμετρο μέγεθος απαιτεί μόνο μια παράμετρο για κάθε σημείο, για την περιγραφή ενός πεδίου, την τιμή του δυναμικού. υναμικό ενός σημείου Α είναι το έργο που απαιτείται για τη μεταφορά της μονάδας φορτίου από το σημείο αυτό στο άπειρο. V W 0 A A q 0 Κατά συνέπεια διαφορά δυναμικού μεταξύ δυο σημείων Α και Β θα είναι το έργο που απαιτείται για τη μεταφορά της μονάδας φορτίου από το σημείο Α στο σημείο Β. Η ένταση E και το δυναμικό V για ένα σημείο Α μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο συνδέονται με την σχέση: A V Edx 12

ή με την ισοδύναμη της: dv E dx όπου: Σ είναι ένα σημείο αναφοράς, δηλαδή ένα σημείο που το δυναμικό είναι μηδέν. Σαν σημείο αναφοράς συχνά θεωρείται το άπειρο ( ). Έτσι για ομογενές πεδίο, το δυναμικό σ' ένα σημείο Α θα είναι: A 1 V Edx E dxe x E x x E όπου l:η απόσταση του σημείου Α από το σημείο αναφοράς και Ε η ένταση του ομογενούς πεδίου, που ως γνωστόν είναι σταθερή. Για πεδίο Coulomb, το δυναμικό σε σημείο Α που απέχει απόσταση r από φορτίο Q, θα είναι: A Η υναμική ενέργεια που έχει ένα φορτίο μέσα σ' ένα ηλεκτρικό πεδίο θα είναι εξ' ορισμού όπου q:το ηλεκτρικό φορτίο, και V:το δυναμικό. Για τη μέτρηση των παραπάνω μεγεθών χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά οι μονάδες του SI, δηλαδή: 1m : Για τη μέτρηση αποστάσεων (Σπανιότερα χρησιμοποιείται το 1cm=0,01m). 1V : Για τη μέτρηση δυναμικού. 1V/m : Για τη μέτρηση έντασης ηλεκτρικού πεδίου. 1Joule: 1Cb : Για τη μέτρηση έργου και ενέργειας. Για τη μέτρηση ηλεκτρικού φορτίου. Πιο σπάνια, για τη μέτρηση ηλεκτρικού φορτίου χρησιμοποιείται σαν μονάδα το φορτίο του ηλεκτρονίου: 1qe = 1.6 10-19 Cb και σαν μονάδα έργου και ενέργειας το έργο που παράγει φορτίο ίσο με 1qe όταν μετατοπίζεται ανάμεσα σε δυο σημεία που έχουν διαφορά δυναμικού 1V, και λέγεται ηλεκτρονιοβόλτ (1eV). 1eV = 1qe 1V = 1,6 10-19 Cb 1V = 1,6 10-19 Joule 13

1.2 Η φύση του ατόμου Σύμφωνα με τη θεωρία του Rutherford (1911) όπως συμπληρώθηκε από τον Bohr (1913) το άτομο οποιουδήποτε στοιχείου αποτελείται από τον πυρήνα όπου είναι συγκεντρωμένη σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου, και τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές. Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια, σωματίδια με φορτίο 1,6x10-19 Cb, και μάζα 1,67x10-27 Kgr, και τα νετρόνια που είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια με μάζα περίπου ίση με τη μάζα των πρωτονίων. Τα ηλεκτρόνια, σωματίδια με φορτίο 1,6x10-19 Cb και μάζα 1837 φορές μικρότερη από τη μάζα των πρωτονίων περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές που καθορίζουν η έλξη του πυρήνα και οι συνθήκες του Bohr. Έτσι για ένα άτομο με ατομικό αριθμό Z, δηλαδή με φορτίο +Zqe στον πυρήνα του, σε κάθε ηλεκτρόνιο θα ασκείται ελκτική δύναμη Coulomb, η οποία λειτουργεί και σαν κεντρομόλος δύναμη αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια να κινούνται κυκλικά. ηλαδή: με m:μάζα ηλεκτρονίου, v:γραμμική ταχύτητα ηλεκτρονίου, r:ακτίνα της κυκλικής τροχιάς. Από την 1 η συνθήκη του Bohr προκύπτει ότι η τροχιά του ηλεκτρονίου δεν μπορεί να είναι οποιαδήποτε, αλλά τέτοια ώστε η στροφορμή του λόγω της περιστροφής γύρω από τον πυρήνα να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της ποσότητας h/2π. Παρατήρηση: Σύμφωνα με τη θεωρία του δυισμού της ύλης που διατύπωσε ο De Broglie (1924), κάθε σωματίδιο με ορμή p=mv ισοδυναμεί με κύμα που το μήκος κύματός του είναι: όπου h: σταθερά του Plank. Έτσι για το ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα μπορούμε να πούμε ότι αντιστοιχεί με στάσιμο κύμα και επομένως η περίμετρος της κυκλικής τροχιάς του θα είναι ακέραιος αριθμός μηκών κύματος. απ' όπου προκύπτει η ίδια η πρώτη συνθήκη του Bohr. Με επίλυση του συστήματος των εξισώσεων ως προς v,r, προκύπτουν οι σχέσεις: και 14

Με τη βοήθεια των παραπάνω σχέσεων βρίσκονται η κινητική και η δυναμική ενέργεια καθενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο. και τελικά, η ολική ενέργεια του ηλεκτρονίου θα είναι: η Οι παραπάνω σχέσεις δείχνουν ότι η ακτίνα περιστροφής, η ταχύτητα, η κινητική, δυναμική και ολική ενέργεια του ηλεκτρονίου, δεν μπορούν να πάρουν οποιεσδήποτε, αλλά ορισμένες τιμές που εξαρτώνται από τον ατομικό αριθμό τού ατόμου (Z), και τον ακέραιο (n). Έτσι, αν θα έπρεπε να παραστήσουμε με ένα διάγραμμα τις διάφορες τιμές τις ολικής ενέργειας σαν οριζόντιες γραμμές (στάθμες) θα προέκυπτε αυτό του σχ.1.2. Σύμφωνα τώρα με την 2 η συνθήκη του Bohr, η μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από μια υψηλότερη στάθμη ενέργειας σε μια χαμηλότερη, συνεπάγεται εκπομπή φωτονίου με μήκος κύματος: Με τη βοήθεια του τύπου αυτού βρίσκεται ότι μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου λόγω αποδιέγερσης από τις στάθμες 5 η, 4 η, 3 η, 2 η (n = 5,4,3,2 ) στην 1 η (n =1) για το άτομο του υδρογόνου (Z=1), δίνει τα εξής μήκη κύματος αντίστοιχα: 13844 Α, 19777 Α, 1026 Α, 1216 Α. Τα παραπάνω μήκη κύματος έχουν μετρηθεί στο φάσμα εκπομπής του υδρογόνου (Φασματική σειρά Lyman στο υπεριώδες) γεγονός που επιβεβαιώνει την ορθότητα της παραπάνω θεωρίας. Παράδειγαμα Πόση είναι η ενέργεια ιονισμού για το πυρίτιο Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό Ζ=14. Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια του πυριτίου θα βρίσκονται 15

στην 3 η στιβάδα όπως φαίνεται και από τα δεδομένα του πίνακα 1.3 παρακάτω. Επομένως η ολική ενέργεια ενός εξωτερικού ηλεκτρονίου στο πυρίτιο, θα είναι που σημαίνει ότι η ενέργεια ιονισμού, δηλαδή η ενέργεια που απαιτείται για να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο του πυριτίου είναι 296eV. 1.3 Η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου κατανέμονται σε στιβάδες και υποστιβάδες ενώ μια σειρά από χαρακτηριστικές ιδιότητες τους εξαρτώνται από τέσσερις κβαντικούς αριθμούς που αποτελούν και την ταυτότητα κάθε ηλεκτρονίου. Αυτοί είναι: O κύριος κβαντικός αριθμός (n). Αυτός καθορίζει τη στιβάδα στην οποία ανήκει το ηλεκτρόνιο και προσδιορίζει κατά κύριο λόγο την ολική ενέργειά του (βλ. παραπάνω τον τύπο της ολικής ενέργειας). Παίρνει 1,2,3 Ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (l). Καθορίζει την υποστιβάδα όπου ανήκει το ηλεκτρόνιο, και παίρνει τιμές [0,1,2,...(n-1)]. Συγκεκριμένα για l=0 το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται Σχ.1.3 Τροχιές ηλεκτρονίων με διαφορετικό l. Σχ. 1.4 Τροχιές ηλεκτρονίων με διαφορετικό m l. πάνω σε κυκλική τροχιά, ενώ για l>0 σε ελλειπτική με συνεχώς αυξανόμενη εκκεντρότητα (σχ.1.3). Ακριβέστερα, ο l προσδιορίζει το μέτρο της στροφορμής του ηλεκτρονίου λόγω της περιστροφής του γύρω από τον πυρήνα, όπως φαίνεται και από τον τύπο: O τρίτος η μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m l ). Καθορίζει τον προσανατολισμό της στροφορμής λόγω της περιστροφής του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα, και παίρνει τιμές [0,±1,±2,...±l]. Συγκεκριμένα, όπως είναι γνωστό, το ηλεκτρόνιο σαν ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο, περιστρεφόμενο εμφανίζει μια μαγνητική διπολική ροπή που προσανατολίζεται σύμφωνα με την κλασσική μηχανική παράλληλα σε τυχόν εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Εδώ όμως ο προσανατολισμός δεν είναι όπως στην κλασσική μηχανική αλλά η γωνία θ που 16

σχηματίζεται από το εξωτερικό πεδίο και την στροφορμή προσδιορίζεται από τη σχέση O μαγνητικός κβαντικός αριθμός του σπιν (ms). Εκφράζει τον προσανατολισμό της περιστροφής του ηλεκτρονίου γύρω από τον εαυτό του, και μπορεί να πάρει δυο τιμές: [+1/2, -1/2]. Το m =+1/2 σημαίνει ότι η στρο φορμή αυτή του ηλεκτρονίου έχει την ίδια διεύθυνση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αναφοράς, ενώ m =-1/2 ότι έχει την αντίθετη διεύθυνση. Το μέτρο της στροφορμής αυτής είναι σταθερό και ίσο με Σε ένα άτομο ισχύει η απαγορευτική αρχή του Pauli που λέει ότι είναι αδύνατο μέσα στο ίδιο άτομο δυο ηλεκτρόνια να έχουν την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. Με βάση τα παραπάνω μπορεί να προσδιοριστεί ο τρόπος που συμπληρώνονται οι στιβάδες και υποστιβάδες σε ένα άτομο. Ο παραπάνω πίνακας φανερώνει τη διαδικασία αυτή για τις τρεις πρώτες στιβάδες ενός ατόμου. Όπως φαίνεται από τον πίνακα αυτό, οι στιβάδες συμπληρώνονται με ηλεκτρόνια σύμφωνα με τον εμπειρικό τύπο 2n 2,ενώ για κάθε στιβάδα οι υποστιβάδες [s, p, d, f...] συμπληρώνονται με 2, 6, 10, 14 ηλεκτρόνια αντίστοιχα. Με δεδομένο μάλιστα ότι πρώτα-πρώτα συμπληρώνονται οι κατώτερες στιβάδες και υποστιβάδες, είναι δυνατό να προσδιοριστεί η ηλεκτρονική δομή οποιουδήποτε στοιχείου. Παρατήρηση: Η σειρά πλήρωσης των στιβάδων και υποστιβάδων ενός ατόμου, ακολουθεί την σειρά ανάγνωσης ενός κειμένου στον παρακάτω πίνακα, όπως έχει βρεθεί εμπειρικά. Πίνακας 1.2 1s 2s 2 3s 3 4s 3 4 5s 4 5 6s 4f 5 6 7s Παράδειγμα Ποια είναι η ηλεκτρονική δομή του Γερμανίου (Ge 32 ); Tο Γερμάνιο έχει 32 ηλεκτρόνια. Σύμφωνα με τον παραπάνω πίνακα, και συμπληρώνοντας τις στιβάδες και υποστιβάδες μέχρι να συμπληρωθούν τα 32 ηλεκτρόνια, σύμφωνα με τη φορά σάρωσης ενός κειμένου,παίρνουμε. Στοιχείο ομή C 6 1s 2 2s 2 2p 2 17

Ge :(1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,4s 2,3d 10,4p 2 ) ή αν ενδιέφερε μόνο η κατανομή των ηλεκτρονίων ανά στιβάδα: Ge :( 2, 8, 18, 4 ) Si 14 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Ge 32 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2 Sn 50 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 2 Στον πίνακα φαίνεται η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων της 4 ης ομάδας του περιοδικού συστήματος 1.4 Οι ενεργειακές ζώνες στα στερεά Ας θεωρήσουμε ένα από τα στοιχεία του παραπάνω πίνακα (πχ το Si ), και ας παραστήσουμε στο ίδιο διάγραμμα τις ενεργειακές στάθμες της ολικής ενέργειας και την δυναμική ενέργεια σαν συνάρτηση της απόστασης (σχ.1.5). Το σχηματιζόμενο φρέαρ, κατ' επέκταση προς το μηχανικό αντίστοιχο, λέγεται φρέαρ δυναμικής ενέργειας. Υποτίθεται φυσικά, ότι οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο που κατέχει κάποια στάθμη για να αποσπαστεί από το άτομο θα πρέπει να υπερπηδήσει το φράγμα της δυναμικής ενέργειας. Ας φανταστούμε τώρα δυο ίδια άτομα που φυσικά θα έχουν την ίδια ηλεκτρονική δομή, σε κάποια απόσταση μεταξύ τους (σχ. 1.5). Αν η απόσταση αυτή είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με τις ακτίνες των ίδιων των ατόμων, τίποτα δεν αλλάζει στην όλη μορφή του διαγράμματος. Αν όμως τα άτομα πλησιάσουν αρκετά, τότε, επειδή η ολική δυναμική ενέργεια είναι το άθροισμα των επιμέρους, το αποτέλεσμα είναι ότι ο φραγμός δυναμικής ενέργειας που παρεμβάλλεται ανάμεσα στα δυο άτομα, χαμηλώνει. Έτσι είναι δυνατό, για κάποια απόσταση αυτός ο φραγμός δυναμικής ενέργειας να πέσει πιο χαμηλά από την ανώτερη κατειλημμένη ενεργειακή στάθμη, με συνέπεια, τα ηλεκτρόνια που κατέχουν τη στάθμη αυτή και από τα δυο άτομα, να μπορούν χωρίς καμιά δυσκολία να περάσουν στο διπλανό τους άτομο. Έτσι όμως σε ένα άτομο θα υπάρχουν πλέον δυο ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών, πράγμα που αντίκειται στην απαγορευτική αρχή του Pauli. Αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής, είναι η κατάργηση των δυο αυτών σταθμών που αντιστοιχούν στην ίδια τιμή ενέργειας στα δυο άτομα, και η εμφάνιση δυο νέων σταθμών σε συμμετρική θέση ως προς την προηγούμενη. Οι δυο νέες στάθμες είναι κοινές για τα δυο άτομα, και κάθε μια καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο. Το φαινόμενο αυτό λέγεται υβριδισμός. Ας φανταστούμε τώρα Ν άτομα Si σε κρυσταλλικό σχηματισμό με τις ενδοατομικές αποστάσεις όμως πολύ μεγάλες. Τότε κάθε άτομο δεν θα επηρεάζεται από τα γειτονικά του, και θα συμπεριφέρεται σαν να είναι μόνο του στο χώρο. Όταν όμως τα άτομα αυτά αρχίσουν να 18

πλησιάζουν, τότε λόγω του φαινομένου του υβριδισμού, στη θέση των εξωτερικών σταθμών εμφανίζονται νέες υβριδικές στάθμες, σε συμμετρικές θέσεις ως προς την προϋπάρχουσα και σε πολύ μικρές αποστάσεις απ' αυτή. Έτσι στη θέση της ενεργειακής στάθμης που προϋπήρχε εμφανίζονται τώρα πάρα πολλές στάθμες όσο περισσότερο πλησιάζουν τα άτομα, που η καθεμιά απέχει ελάχιστα από την γειτονική της. Το σύνολο αυτό των διαδοχικών ενεργειακών σταθμών λέγεται ενεργειακή ζώνη. Στο σχ. 1.7 φαίνεται η ενεργειακή δομή του κρυστάλλου Si για Ν άτομα. Για πολύ μεγάλες αποστάσεις η δομή είναι η ίδια με τη δομή του μονωμένου ατόμου, δηλαδή υπάρχουν 2Ν καταστάσεις s, κατειλημμένες από 2Ν ηλεκτρόνια s και 6Ν καταστάσεις p κατειλημμένες από 2Ν ηλεκτρόνια p. Μετά τον υβριδισμό, και στην απόσταση ισορροπίας του κρυστάλλου, θα έχει αποκατασταθεί η εξής κατάσταση. Για μεν τα ηλεκτρόνια των εσω- τερικών στιβάδων τίποτα δεν αλλάζει. Οι στάθμες της εξωτερικής στιβάδας θα έχουν υβριδιστεί, και θα έχουν σχηματιστεί δυο ενεργειακές ζώνες. Η κατώτερη ζώνη θα περιέχει 4Ν καταστάσεις κατειλημμένες από 4Ν ηλεκτρόνια, και η ανώτερη ζώνη αποτελούμενη από 4Ν καταστάσεις κενές. Η πρώτη ζώνη λέγεται Ζώνη Σθέ- νους ενώ η δεύτερη λέγεται Ζώνη Αγωγιμότητας. Ο ενδιάμεσος χώρος μη επιτρεπτών καταστάσεων λέγεται Ενεργειακό χάσμα (βλ.σχ.1.7). Όπως φαίνεται στην εικόνα αυτή, το ύψος του ενεργειακού χάσματος εξαρτά- ται από τη σχετική απόσταση των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος. 1.5 Αγωγοί μονωτές ημιαγωγοί Για κάποιες σχετικές αποστάσεις των ατόμων του κρυστάλλου, οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας εφάπτονται δίνοντας έτσι μηδενικό ενεργειακό χάσμα (ΕG = 0). Στην περίπτωση αυτή, εφαρμογή έστω και μικρού ηλεκτρικού πεδίου ανυψώνει τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους σε κενές στάθμες της ζώνης αγωγιμότητας με αποτέλεσμα τη δημιουργία ελευθέρων ηλεκτρονίων που συμβάλλουν στην ύπαρξη μεγάλης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Τα στερεά αυτά είναι οι Αγωγοί. Όταν το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μεγάλο (τυπικά μεγαλύτερο από τα 6eV του καθαρού άνθρακα) τότε είναι εξαιρετικά δύσκολη από ενεργειακή άποψη η ανύψωση ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, με αποτέλεσμα σχεδόν καμιά στάθμη της ζώνης αγωγιμότητας να μην είναι κατειλημμένη. Στην περίπτωση αυτή, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι σχεδόν μηδενική και συνεπώς η ηλεκτρική αγωγιμότητα ανεπαίσθητη. Τα στερεά αυτά είναι οι μονωτές. Ενδιάμεση περίπτωση των δυο προηγουμένων είναι εκείνη που το ενεργειακό χάσμα είναι μικρό, της τάξης μεγέθους του 1eV. Αυτό σημαίνει ότι σε θερμοκρασία 0 Κ το υλικό συμπεριφέρεται σαν μονωτής. Όμως με μικρή προσφερόμενη εξωτερικά ενέργεια, (π.χ. με την εφαρμογή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου ή με ανύψωση της θερμοκρασίας) πολλά ηλεκτρόνια θα μπορέσουν να ανυψωθούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας με αποτέλεσμα την ραγδαία αύξηση της συγκέντρωσης των ελεύθερων ηλεκτρονίων και συνεπώς της αγωγιμότητας. Τα στερεά αυτά είναι οι ημιαγωγοί. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι της κατηγορίας αυτής είναι το πυρίτιο (Si) με ενεργειακό χάσμα 1,12eV, το γερμάνιο (Ge) με ενεργειακό χάσμα 0,66eV και το αρσενικούχο γάλιο (GaAs) με ενεργειακό χάσμα 1,42eV σε θερμοκρασία 19