Μάθημα 23 ο Μεταλλικός Δεσμός Θεωρία Ζωνών- Ημιαγωγοί Διαμοριακές Δυνάμεις
Μεταλλικός Δεσμός Μοντέλο θάλασσας ηλεκτρονίων Πυρήνες σε θάλασσα e -. Μεταλλική λάμψη. Ολκιμότητα. Εφαρμογή δύναμης Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 2
Μεταλλικός δεσμός Θεωρία ζωνών. Επέκταση της θεωρίας των ΜΤ. N άτομα δίνουν N τροχιακά με παραπλήσια ενέργεια. N/2 πληρωμένα. Ζώνη σθένους. N/2 are κενά. Η ζώνη αγωγιμότητας. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 3
ενέργεια Συμπληρωμένα ΜΤ Κενά ΜΤ Ζώνη ΜΤ Οι τελείες δηλώνουν πυρήνες και τα βελάκια ηλεκτρόνια Κυρίως αντιδεσμικά Κυρίως δεσμικά Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 4
Θεωρία ζωνών Μέταλλο Μέταλλο Ημιαγωγός Μονωτής Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 5
Τι είναι οι ημιαγωγοί; Χαμηλή αντίσταση => αγωγός Υψηλή αντίσταση => μονωτής Ενδιάμεση αντίσταση => ημιαγωγός Η αγωγιμότητα είναι μεταξύ της αγωγιμότητας αγωγών και μονωτών Για ολοκληρωμενα κυκλώματα κρυσταλλικές δομές IC πρόσφατα μη κρυσταλλικοί ημιαγωγοί είναι εμπορικοί Πολυκρυσταλλικό άμορφο κρυσταλλικό
Υλικά ημιαγωγών Phosphorus (P) Gallium (Ga)
Si Ατομική πυκνότητα: 5 x 10 22 atoms/cm 3 Si 4 ηλεκτρόνια σθένους. Σχηματίζει 4 ομοιοπολικούς δεσμούς με γειτονικά άτομα Αυξανομένης της θερμοκρασίας, τα ηλεκτρόνια είναι περισσότερα ελεύθερα για κίνηση στο πλέγμα του Si.
Ηλεκτρονικές ιδιότητες του Si Το Si είναι ημιαγώγιμο υλικό. Καθαρό Si έχει σχετικά υψηλή ηλεκτρική αντίσταση σε θερμοκρασία δωματίου. Υπάρχουν 2 είδη ευκίνητων φορτίων στο Si: Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας αρνητικά φορτισμένα Οπές θετικά φορτισμένες. Η συγκέντρωση (#/cm 3 ) των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας και των οπών σε έναν ημιαγωγό ρυθμίζονται με διάφορους τρόπους : 1. Με εμβολιασμό με «ακαθαρσίες»( dopants ) 2. Με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου 3. Με μεταβολή της θερμοκρασίας 4. Με ακτινοβολία
Δημιουργία ζεύγους οπήςηλεκτρονίου Κατά τη θερμική δημιουργία ενός ηλεκτρονίου αγωγιμότητας, δημιουργείται και μία οπή Η οπή συνδέεται με θετικό φορτίο και είναι σε θέση να κινηθεί στο πλέγμα του Si.
Συγκεντρώσεις φορέων στο καθαρό Si Η ενέργεια χάσματος E g είναι η ενέργεια η οποία απαιτείται προκειμένου να αποσπασθεί ένα ηλεκτρόνιο από ομοιοπολικό δεσμό. Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητος στο καθαρό πυρίτιο, n, i εξαρτάται εκθετικά από την E g και από την απόλυτη θερμοκρασία (T): n i 5.2 10 15 T 3/ 2 exp E g 2kT electrons / cm 3 n i 1 10 10 electrons / cm 3 at 300K n i 1 10 15 electrons / cm 3 at 600K
Εμβολιασμός (n τύπου) Το Si είναι δυνατόν να εμβολιασθεί με άλλα στοιχεία προκειμένου να μεταβληθούν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες. Αν π.χ. του Si εμβολιασθει με φωσφόρο (P), κάθε άτομο P μπορεί να συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο αγωγιμότητος, οπότε το πλέγμα του Si θα διαθέτει περισσότερα ηλεκτρόνια σε σχέση με οπές, δηλαδή γίνεται n τύπου : Συμβολισμός: n = συγκέντρωση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας
Εμβολιασμός (p τύπου) Αν το Si εμβολιασθεί με (B), κάθε άτομο B μπορεί να συνεισφέρει μια οπή, με αποτέλεσμα το πλέγμα του Si να έχει περισσότερες οπές από ότι ηλεκτρόνια, γίνεται δηλαδή, p τύπου : Συμβολισμός: p = συγκέντρωση οπών
Σύνοψη φορέων φρτίου Καθαρός ημιαγωγός συνθετικός ημιαγωγός
Ημιαγωγοί Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 15
Αν κρυσταλλικό πυρίτιο εμβολιασθεί με μια πρόσθετη, ξένη ουσία όπως το αρσενικό (5 ηλεκτρόνια σθένους), Η συμπεριφορά του πλέγματος αλλάζει! Και πάλι υπάρχουν 4 δεσμοί αλλά υπάρχει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο (περίσσεια) το οποίο μπορεί να κυκλοφορεί στον κρύσταλλο. Αυτός είναι ημιαγωγός τύπου n. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 16
Το βόριο διαθέτει 3 ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να δημιουργείται έλλειμμα (οπές ). Ημιαγωγός τύπου p. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 17
Φωτοβολταϊκά στοιχεία Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 18
Δομή φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 19
Ενδομοριακές δυνάμεις Είναι οι χημικοί δεσμοί (ιοντικοί, ομοιοπολικοί, μεταλλικός δεσμός) Εξηγούν τη σταθερότητα των μορίων Εξηγούν χαρακτηριστικά μορίων Φυσικές ιδιότητες; Εξηγούνται με βάση τις διαμοριακές δυνάμεις, δυνάμεις μεταξύ δύο μορίων μιας ουσίας Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 20
Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 21
Σύγκριση Ιδιοτήτων των Καταστάσεων της Ύλης Ιδιότητα Στερεό Υγρό Αέριο Όγκος ορισμένος ορισμένος αόριστος Σχήμα ορισμένος αόριστο αόριστο Σχετική πυκνότητα Μεγάλη ~1 g/ml Πολύ μικρή Συμπιεστότητα Αμελητέα Πολύ μικρή Πολύ μεγάλη Ρευστότητα/Ευκινησία ΟΧΙ ΝΑΙ ΝΑΙ Στοίβαξη σωματιδίων Πυκνή Πυκνή Αραιή Ρυθμός διάχυσης Πολύ βραδύς Μέτριος Ταχύς Κίνηση Μόνον δονήσεις Μεταφορά Περιστροφή Μεταφορά Περιστροφή Δυνάμεις μεταξύ σωματιδίων Διαμ.Δυνάμεις ή δεσμός Διαμ.Δυνάμεις μόνο Καμμία για ιδανικά αέρια Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 22
Kατηγορία Παραδείγματα Xαρακτηριστικά Iοντικά NaCl, KNO 3 σκληρά, σταθερά, εύθραυστα, υψηλά ΣT και ΣZ. Aυτά που διαλύονται στο νερό δίνουν αγώγιμα διαλύματα Διασυνδεδεμένα B, C, Mαύρος P Σκληρά, σταθερά, εύθραυστα, ή πλεγματικά BN, SiO 2 υψηλά ΣT και ΣZ, αδιάλυτα στο νερό Mοριακά BeCl 2, S 8, P4 Mαλακά, χαμηλά ΣZ και ΣT Ι 2, πάγος, γλυκόζη εύθραυστα όταν είναι καθαρά ναφθαλίνιο Mέταλλα Στοιχεία s και Oλκιμα, ελατά, στιλπνά d block ηλεκτρικώς και θερμικώς αγώγιμα Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 23
Τα υγρά Τα μόρια είναι πυκνά στοιβαγμένα αλλά είναι ελεύθερα Και κινούνται σε τυχαίες διευθύνσεις. Υφίσταντ αι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 24
Κατά την εξάτμιση Τα μόρια απέχουν κατά πολύ στη αέρια κατάσταση ωστόσο Διατηρούν την ελευθερία τους και κινούνται τυχαία. Τι συμβαίνει στα στερεά;; Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 25