Lublin 1 X 2020 r.

Półprzewodniki: wprowadzenie

Tadeusz Doma nski

Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór elektryczny – istota zjawiska

Pod wpływem zewnetrznych pól (elektrycznego, magnetycznego, gradientu

temperatur) elektrony walencyjne dryfuja

w przestrzeni, generujac pra d.

Opór elektryczny – istota zjawiska

Ruch elektronów odbywa sie

w sieci jonów

ulegajac procesom rozpraszania, co przejawia sie

jako opór

I =1

RU prawo Ohma

Opór elektryczny – istota zjawiska

Prawo Ohma mozna zapisa c w równowaznej postaci

~J = σ ~E σ ⇐ przewodnictwo wła sciwe

ρ ≡ 1/σ ⇐ opór wła sciwy

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór całkowity wynosi

R = ρ lA

,

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór całkowity wynosi

R = ρ lA

,

gdzie opór wła sciwy ρ

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór całkowity wynosi

R = ρ lA

,

gdzie opór wła sciwy ρ

zalezy od:

• rodzaju materiału,

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór całkowity wynosi

R = ρ lA

,

gdzie opór wła sciwy ρ

zalezy od:

• rodzaju materiału,

• temperatury.

Opór elektryczny – istota zjawiska

Opór całkowity wynosi

R = ρ lA

,

gdzie opór wła sciwy ρ

zalezy od:

• rodzaju materiału,

• temperatury.

1/ρ =nq2τ

m(model P. Drude’go) σ ≡ 1/ρ

n – koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa

Opór elektryczny – znaczenie struktury pasmowej

Opór elektryczny – znaczenie struktury pasmowej

Opór elektryczny – znaczenie struktury pasmowej

Opór elektryczny – znaczenie struktury pasmowej

Temperatura wpływa na warto sc n w półprzewodnikach i izolatorach.

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

diament ∼ 1012

Ω· m

guma ∼ 1013

Ω· m

teflon ∼ 1023

Ω· m

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

diament ∼ 1012

Ω· m

guma ∼ 1013

Ω· m

teflon ∼ 1023

Ω· m

Warto sci oporu róznia

sie o ponad 30 rzedów wielko sci !

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

diament ∼ 1012

Ω· m

guma ∼ 1013

Ω· m

teflon ∼ 1023

Ω· m

Warto sci oporu róznia

sie o ponad 30 rzedów wielko sci !

. ⇐ przewodniki

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

diament ∼ 1012

Ω· m

guma ∼ 1013

Ω· m

teflon ∼ 1023

Ω· m

Warto sci oporu róznia

sie o ponad 30 rzedów wielko sci !

. ⇐ przewodniki

. ⇐ półprzewodniki

Opór elektryczny – przykłady w temperaturze 20 oC

miedz 1, 7 × 10−8

Ω· m

aluminium 2, 8 × 10−8

Ω· m

zelazo 1, 0 × 10−7

Ω· m

grafit 2, 5 × 10−6

Ω· m

german 4, 6 × 10−1

Ω· m

krzem 6, 4 × 102

Ω· m

diament ∼ 1012

Ω· m

guma ∼ 1013

Ω· m

teflon ∼ 1023

Ω· m

Warto sci oporu róznia

sie o ponad 30 rzedów wielko sci !

. ⇐ przewodniki

. ⇐ półprzewodniki

. ⇐ izolatory

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

0 1 2 3 4 5 6

opor

temperatura [K]

,

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

Odkrycie nadprzewodnictwa – 8 kwietnia 1911 r.

Stan nadprzewodzacy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte

ci.

Ponizej temperatury Tc = 4,2 K (czyli -269 oC) opór całkowicie zanika.

.

(Lejda, Holandia) Heike Kamerlingh Onnes

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

Nadprzewodniki charakteryzuja

sie jednocze snie idealnym diamagnetyzmem .

Zjawisko to polega na całkowitym ekranowaniu pola magnetyc znego.

W. Meissner, R. Ochsenfeld ( 1933 r. )

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

Pole magnetyczne wnika jedynie do niewielkiej głeboko sci przy powierzchni.

x

B(x) = B0 e−x/λ Heinz i Fritz London (1935 r.)

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

Zjawisko Meissnera wykorzystuje sie

np. do profilowania linii sił pola

magnetycznego.

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

W ten sposób mozna skompensowa c siłe grawitacji, uzyskujac efekt lewitacji.

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

W ten sposób mozna skompensowa c siłe grawitacji, uzyskujac efekt lewitacji.

Nadprzewodniki – efekt Meissnera

W ten sposób mozna skompensowa c siłe grawitacji, uzyskujac efekt lewitacji.