Első rész: előző előadás folytatása Gázo Fázisátalauláso További példá a Boltzma eloszlás övetezméyeire. Gázo.1. Ideális gáz Ideális gáz állapot jellemzése ics ölcsöhatás E =0 szerezete redezetle Potszerűe csa ietius eergia : ütözése az edéy falával részecsé azoosa izotróp: tulajdoságai függetlee a mérés iráyától deformálható térfogatát a tartály határozza meg Prof. Fidy Judit 016 otóber 0 Termodiamia: ietius gázelmélet yomás értelmezése állapotegyelet Eteljes = 1 m( v ) 1 mv = 3 pv = átlag ε = i 1 mv i. Gázo.1. Ideális gáz. Gázo.. Reális gázo az általáos gáztörvéy orreciója Boltzma eloszlás övetezméye: 1. a részecsé em potszerűe térfogatu b mozgási terü lecsöe V ről (V b) re az egyedi részecsé sebessége (abszolút értée) eloszlást övet Maxwell Boltzma féle sebességeloszlás hőmérsélet szerepe legvalószíűbb/átlag sebesség eltolódása eloszlás iszélesedése magasabb hőmérsélete Kietius gázelmélet összefoglalás: A hőmérsélet egyértelműe meghatározza a részecsé átlagos ietius eergiáját az egyedi ietius eergiá populációját i O Sebesség abszolút értée. a részecsé özött ölcsöhatás va, erőssége a E belső = E mozg. +E ölcs. a p(v b)= értéél a tapasztalt yomás isebb ütözési sebesség a vozó ölcsöhatás miatt isebb a változás függ a ocetrációtól (/V) Va der Waals egyelet p /(V b) a(/v) = p p + a = V (egy lehetséges leírás ) ( V b) De: továbbra is igaz a hőmérsélet ietiai értelmezése magas hőmérsélete a reális gázo is jól leírható ideális gázét Taöyv 59 60
Az ayagcsaládo özött és a családoo belül fázisátalauláso lehetségese Fázis: az ayag térfogatelemei fiziai és émiai tulajdoságoba megegyeze Elsőredű fázisátalaulás: hőcserével jár: átlagos ötési eergia változi itezív paraméter folytoosa az extezív ugrásszerűe változi (Másodredű fázisátalaulás: em jár hőcserével, a paramétere folytoosa változa) A víz fázisdiagramja Általáos viseledés Taöyv: Más jellegű példá a Boltzma eloszlásra Féme termius eletroemissziója erst egyelet Kémiai reació reaciósebességée függése a hőmérsélettől Reació : A B A AB és BA reaciósebessége aráyosa azo reagese számával, amelye eergiája eléri az ativációs gát agyságát. AB BA K = = cost e = cost e BA AB ε barrier ε A ε barrier ε B ε A ε B A hőmérséletet változtatva és mérve a reaciósebességeet, az adatoból az ativációs eergia meghatározható Arrheius féle ábrázolás ε A ε B log K = (loge)( ) 1 T Barometrius magasságformula A levegő sűrűsége az atmoszférába a tegerszittől mért magassággal (h) csöe: ρ( h) ρ(0) mgh m a levegő részecséie átlagos tömege g gravitációs gyorsulás Kristályos szerezetű ayago Másodi rész Kötött eletroo eergiaállapotai redezett redszerebe eletromos és optiai tulajdoságo. Eergia -o izolált atomo diszrét eergiaívói ~10 3 azoos atomból ristály azoos eergiaállapotú eletroo r 0 távolságba Pauli elv ülső eletroo eergiája új ívóra hasad folytoos eergiao.
Az atomo ölcsöhatása megváltoztatja az eletroo eergiáit Diszrét eergia ívó folytoos eergiájú o tiltott oal elválasztva A fiziai/émiai tulajdoságo a legfelső és a legalsó üres eergetiai tulajdoságaitól függe három jellegzetes ayagcsalád: A1 A B Eergia -o izolált atomo diszrét eergiaívói Példa: szilárd ristályos a 1s s p 6 3s 1 ( l + 1) letro állapoto száma egy ba Vezetési üres 1 ev üres üres 3p 0 Vegyérté Részlegese Tiltott o 3s p 6 s 1s Maghoz özeli belső eergiao A 3s csa félig betöltött A típusú B típusú A - típusú ayago A1 Miért? vezetési vegyérté Δ ε A A tiltott eergiájától függőe! Tiltott gap E gap Üres vezetési Telített vegyérté- Δε = E gap és viszoya döti el, hogy lehete-e termius ooból eletroo a vezetési ba ~ 0.03 ev T=300 K, =1.38x10-3 JK -1 Boltzma álladó A1 típusú ayago E gap >> 1eV Pl. gyémát E gap = 5.4 ev vezetési vegyérté 5.4 0.03 35 = 0 E gap túl agy -hez épest szigetelő - ics eletromos vezetés (eletromos letörés: ~V/ötés 10 10 V/m) - ics féyelyelés a VIS tartomáyba: E VISfoto <E gap VIS-be átlátszóa - lehetséges, hogy E UV-be lehet, hogy em átlátszóa UVfoto E gap - IR elyelés: egyesúlyi ötéstávolság örüli rezgése gerjesztése
0 K Vez.. Vegy. A típusú ayago Si Ge Egap E gap 1eV e - E g (ev) 1.1 0.75 vez vegy 0.75( Ge) 0.03 33 vegyérté E gap em túl agy -hez épest termiusa legyőzhető (tiszta) félvezető = 7 10 15 3 6 10! vezetési 4 -tipusú töltéshordozó (vezetési eletro: egatív töltés) p tipusú töltéshordozó (lyu: eletro-hiáy: pozitív töltés) 10 1 M 3g (ρ=5.5 g/cm 3 ) 4*10 8 e /6 cm 3 A vezetési eletroo a vegyérté ból termius gerjesztéssel jöe létre étféle töltéshordozó 8 Eletromos tulajdoságo σ = E gap ost. e Gyegé függ T-től hf VIS > E gap - VIS átlátszatlaság - Féyelyelés eletromos vezetést iduál fotodetetoro (tiszta) félvezető - folytatás Kétféle töltéshordozó eletezése és reombiációja együtt eletezési valószíűség aráyos a B. fatorral. A fajlagos vezetőépesség (σ) a hőmérsélet emeledésével ő termorezisztoro hőmérsélet-mérés Optiai tulajdoságo Féyfoto elyelődhet! gerjesztés a vezetési ba λ(m) 1000 500 50 B típusú ayago Pl. 1- és -vegyértéű féme: a, Mg, Cu.. (töltés)/m 3 ics tiltott a vegyérté és a vezetési özött jó vezető : féme Az eletroo eergia-felvétele széles tartomáyba lehetséges a részlegese betöltött vezetési o belül -Eletro-vezetés, agy vezetőépesség -Széles eergiatartomáyú foto-abszorpció átlátszatlaság σ 1 T Cu fajlagos elleállás (1/σ) (Ohmxm) x10-8 3x10 3 Ige is elleállás agy vezetőépesség Tulajdoságo Si 9x10 8 1x10 16 T=93 K A fajlagos vezetőépesség csöe a hőmérsélettel E partially filled coductio bad félvezető! Külöleges család A- belül Szeyezéses félvezető Szeyezés (Dopig) speciális techia: ige tiszta félvezető ristályba (host) Ige is meyiségbe egymástól távol, izolálta elhelyezett idege ompoes host dopat 6 10 Izolált szeyező (dopats) Ötlet: megfelelőe iválasztott dopat csöeti az E gap,-t, igy a termiusa létrehozott töltése száma megöveszi Kétféle ombiációt realizálta 4-vegyértéű gazda-rácsba 5-vegyértéű dopat 4-vegyértéű gazda-rácsba 3-vegyértéű dopat Host (gazdarács): Ge, Si -tipusú félvezető p-tipusú félvezető Dopat: 5-vegyértéű : P, As, Bi 3-vegyétéű : B, Al, Ga, I
Pl. 4 vegyértéű Ge ristályrács szeyezve 5 vegyértéű As atomoal Összefoglalás: - és p-tipusú szeyezéses félvezető Vegyérté eletroo Az ötödi As eletro em tud részt vei ovales ötésbe gyegé ötött a szeyezés helyé is eergiával iszabadulhat és részt vehet a vezetésbe: door állapot tipusú vezetés E g ~1 ev 0.05 0.01 ev -típusú p-tipusú Door ívó Vezetési Vegyérté A door ívó csa a szeyezőö léteze, em tuda deloalizálódi. Ha gerjesztőde eze az eletroo, aor a hátramaradt lyua szité loalizálta, em vesze részt a vezetésba. A szeyező létező door ívó termiusa gerjesztett eletrojai vezete A szeyező atomál leötetle gazda-atom eletro fogad gerjesztett gazda-rács eletrooat : loalizált aceptorívó populálása. A gazda-rácsba hátramaradó lyua vezete Az áramörö alapelemei: dióda és trazisztor előállítható - és p tipusú szeyezéses félvezetőből + yitó iráyú apcsolás: vezetés - p + Trazisztor: -áramerősítő - digitális memória elemei - számláló Dióda: - multivibrátoro - egyeiráyító - eletromos feszültség féyforrás LED - megvilágítás feszültség pixel CCD amerába Feltétel a megfelelő szeyezés ige is méretbe előállítható áramörö miroeletroia lehetősége base (p) p + - ϕ oll > ϕ bázis Jelelegi legmoderebb féyforrás: LED olletor bázis emitter collector () emitter () lyu féy P tipus tipus eletro Vezetési Gap Tiltott Vegyérté Eletromos vezetés hatására a p határrétegbe többségbe erült eletroo és lyua reombiációja eletroo eergia vesztése féyemisszióval
1956 fiziai obel díj a félvezető trazisztor megvalósításáért Joh Bardee, William Shocley és Walter Brattai a Bell Lab ba, 1948. 014 fiziai obel díj a éféyű LED megvalósításáért Isamu Aasai, Shuji aamura, Hiroshi Amao, Joh Bardee II.obel 197 A szupravezetés elméletéért Walter Brattai Ige jó ísérleti fizius LED: Light Emittig Diode Köszööm a figyelmet!