Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 23 dotazů obsahujících »polovodič«
3) Vodivost grafitu
21. 01. 2008
Dotaz: Dobrý den, rád bych se zeptal, jaký je mechanismus vedení elektrického proudu v
grafitu, hlavně co je důvodem toho, že je teplotní závislost odporu klesající.
Může to být způsobeno tím, že jak je 4 vazný uhlík "napasován" do šesterečné
soustavy, že se zvyšující teplotou některé vazby "povolí"? Pak mě ale zase
překvapuje tak vyvoký bod tání grafitu. Děkuji za Vaši odpověď (Miroslav Panoš)
Odpověď: Elektrická vodivost grafitu dána jeho strukturou. Atomy uhlíku uspořádané do
šestiúhelníků vytvářejí jednotlivé vrstvy (jakési včelí plástve), které jsou
k sobě poutány slabšími interakcemi.
Uhlík v grafitu má tzv. hybridizaci sp2. To znamená, že jeho
sigma-vazby jsou tři a směřují do vrcholů rovnostranného trojúhelníka.
Podobné uspořádání známe u uhlovodíků s dvojnou vazbou nebo u benzenu. Takto
uspořádané tři vazby si přímo říkají o spojování do šestiúhelníkú a jejich
další spojování do "plástve", nejde tedy o žádné násilné napasování.
Do hybridizace se nezapojil čtvrtý orbital na uhlíkovém atomu, označovaný
pz. Tyto zbylé orbitaly všech uhlíkových atomů jedné vrstvy
(plástve) se dohromady kombinují na jeden veliký, tzv. delokalizovaný,
pí-systém orbitalů. Vzájemnou kombinaci za vzniku jednoho systému známe i v
menším vydání: u uhlovodíku benzenu, kde se týká šesti orbitalů, a u dalších
aromatických uhlovodíků.
Delokalizace znamená, že určitý elektron "nepatří" k žádnému určitému
uhlíkovému atomu vytvářejícímu pí-systém, ale se stejnou pravděpodobností se
může vyskytovat na libovolném místě delokalizovaného systému. Což je v
důsledku volná pohyblivost elektronů v pí-orbitalech po celé "plástvi". A
tedy elektrická vodivost. Zároveň je zřejmé, že se elektrický proud přenáší
dobře pouze po vrstvách, nikoli napříč (neexistují propojení pláství), a že
narušení pravidelné struktury pláství (tj. porucha v krystalu) může vodivost
ovlivňovat.
K teplotní závislosti vodivosti mě napadá pouze následující:
Vodivost rostoucí s teplotou spíše nebude způsobena přerušením některých
vazeb (viz výše, geometrické uspořádání je přirozené a nevytváří žádné
zvláštní pnutí). Růst vodivosti s teplotou pozorujeme v případě vlastní
vodivosti polovodičů, kdy elektrony s vyšší energií způsobenou vyšší
teplotou mají větší šanci překonat energetický rozdíl mezi energetickým
pásem, v němž jsou, a nejbližším vyšším prázdným energetickým pásem, v němž
už se mohou volně pohybovat. Grafit je podoben právě spíše polovodičům než
kovům - vytváří síť kovalentních vazeb atd. Zřejmě také možnost rozkmitání
uhlíkových atomů je menší než u kovů, protože jsou drženy na místě směrovými
kovalentními vazbami. Vazba v kovech je nesměrová, na všechny strany stejná,
kdežto kovalentní vazba - překryv orbitalů - vyžaduje určité prostorové
uspořádání a znesnadňuje výchylky.
Dotaz: Dobrý den, chtěl bych se zeptat, co si představit pod pojmem koherenční
délka(např. laseru)...děkuji Novák (Petr Novák)
Odpověď: Koherenční délka udává největší dráhový rozdíl, při němž je ještě světlo daného zdroje schopno interference. U polovodičových laserů jde typicky o centimetry, u kvalitních He-Ne laserů až o metry. Koherenční délka je důležitým parametrem u aplikací využívajících interference, jako například při měření délky či měření poloměrů křivosti optických ploch.
Dotaz: Dobrý den! Při rozhovoru o supravodivosti jsem nedávno svému synovi nedokázal
odpovědět na tyto tři dotazy: Velkým nepřítelem polovodičů je zvýšená teplota.
Proto se polovodičové součástky běžně opatřují různými chladiči, které mají
teplo, vznikající průchodem proudu součástkou, rozptýlit do okolí. Někteří
kutilové si prý pořizují pro své procesory v počítačích chlazení vodou a dokonce
i kapalným dusíkem... Otázky tedy zní: 1.) jak se bude chovat polovodič na bázi
křemíku (tranzistor, mikroprocesor), který bude pracovat v kosmu, když bude
ochlazen na teplotu 2,7 K ? 2.) nedojde k supravodivosti a následnému zkratu,
(úplnému otevření všech PN přechodů)? 3.) na jakou mezní teplotu mohu
(teoreticky)polovodiče zchladit, aniž by ztratily svou funkčnost, danou
principem PN přechodu? Samozřejmě, existují datasheety, ve kterých je rozsah
provozních i skladovacích teplot výrobcem definován. Polovodiče navíc pracují v
souborech s jinými součástkami a zdroji energie, které takové snížení teploty
též nemusí snést... Jedná se tedy o čistě teoretické pracovní podmínky. Děkuji
za Váš čas a zájem, Štěpnička. (Vladimír Štěpnička)
Odpověď: K odpovědi na tyto otázky je třeba si uvědomit, co způsobuje vedení proudu v polovodičích anebo v supravodičích. K tomu, aby se mohly nositele náboje (elektrony nebo díry) podílet na vedení proudu v polovodiči, musejí překonat energetickou bariéru - zakázány pas. Čím vyšší teplotu má polovodič, tím větší množství nositelů nábojů se dostane do vodivostniho pasu. Toto množství se mění s teplotou exponenciálně. Rostoucí proud pak zahřívá polovodič a mohlo by dojít k jeho zničení. V nízkých teplotách naopak odpor polovodiče výrazně roste. Toho se dá využít k měření teploty. Takový monokrystal germania s odporem několika ohmů za pokojové teploty má pod teplotou kapalného hélia (4,2 K) odpor desítek i stovek kiloohmu v závislosti na stupni dopování. Většina polovodičových prvků již není schopna pracovat při teplotě kapalného dusíku (77 K). Pro účely nízkošumového zesílení jsou vyvíjený tranzistory schopné pracovat v nízkých teplotách, v nich se však p-n přechody udržují na stabilizované vyšší teplotě procházejícím proudem. Pro tyto účely jsou vhodnější jiné polovodiče než křemík, zejména GaAs, pak pracují i při 4 K. Kosmické pozadí má sice teplotu asi 2,7 K, teplota předmětů v kosmu je určena zejména absorpci záření a bývá mnohem vyšší než tato nejmenší teplota reliktního záření. Také se procházejícím proudem tepelně stabilizují. Tento problém je tedy na kosmických aparaturách vyřešen. Supravodiče vedou proud (bez odporu) jiným mechanismem. Elektrony se v supravodiči pohybují po párech korelované (s opačným momentem a opačným magnetickým momentem - spinem), takže na ně mřížka zbytku atomů nepůsobí. Tento jev nastává hlavně v kovech a slitinách (nemagnetických) pod určitou kritickou teplotou. Existuje sice supravodivost i v nekovech (oxidech, organických látkách, fullerenech, MgB a dalších), ty však nemají polovodičový charakter vodivosti. Tedy situaci, kdy se v polovodiči projeví supravodivost, si dovolím vyloučit. Závazným problémem je však poškození elektronických součástek záchytem částic kosmického záření, které může může mít negativní vliv na jejich parametry.
Dotaz: Kovy jsou dobrými vodiči elektřiny, lze opředpokládat, že slitiny kovů jsou
dobrými vodiči, v referátu o bronzu, bronz je slitina mědi a cínu je uvedeno
...elektrická vodivost je malá, neboť cín ji značně snižuje, prosím o
vysvětlení,děkuji (Schubertova)
Odpověď: Je třeba si uvědomit, co způsobuje vodivost případně odpor kovů. Vedení proudu v kovech (v polovodičích je to jinak) způsobují tzv. téměř volné elektrony, které se oddělily od atomů, jež vytvořily mřížku kovů, např. při ochlazení roztaveného kovu nebo při depozici pár kovů na ochlazenou podložku. Tyto elektrony se pohybují pod silovým vlivem přiloženého elektrického pole, vytvářejí proud a při své cestě potkávají atomy, které mají kladný náboje (neboť je opustil jeden nebo více elektronů). Výsledkem je snadnější nebo obtížnější průchod elektronů atomovou mřížkou a tím i větší nebo menší elektrická vodivost. Atomy kmitají kolem svých rovnovážných poloh, a to tím více, čím vyšší je teplota kovů, a znesnadňují tím průchod elektronů. Proto odpor kovů roste s rostoucí teplotou. Tohle platí beze zbytku pro velmi čistý kov, který tvoří jediný pravidelný krystal (monokrystal). Jakákoli překážka na cestě elektronů: chybějící atom (tzv. vakance), řádka chybějících atomů (tzv. dislokace), celá narušena plocha (tzv. hranice zrn krystalů) a taky cizí příměsové atomy způsobují, že cesta elektronů je obtížnější a elektrická vodivost klesá. Poměr mezi vodivostí velmi čistého měděného monokrystalů dlouhodobě žíhaného k odstranění jakýchkoli poruch a běžnou technickou mědi může činit i několik tisíc. Stačí také malé množství přidaného kovů (slitina), aby vodivost klesla i o několik řádů. Takováto vodivost pak málo závisí na teplotě, protože je závislá především na neuspořádaností mřížky. Takové slitiny jako konstantan, manganin, chromel i mosaz a bronz mají velký měrný odpor, někdy zcela nezávislý na teplotě, což se technický často využívá.
Doufám, že jsem Vám odpověděl na Vaší otázku. Poučení můžete nalézt v učebnicích fyziky pevných látek, např.
Dotaz: Zabývám se vývojem zařízení pro kalibraci digitálních fotoaparátů, jehož ůkolem
je vytvořit světlo o určité intenzitě. U již existujícího zařízení je jako
světelný zdroj použita klasická 100W žárovka. Já bych ji rád nahradil výkonovou
bílou LED-diodou, ale nejsem si jist, zda složení světla z LED neobsahuje o
nějakou složku více či méně, především mi jde o poměr infra a ultrafialového
záření, které by mohlo ovlivnit CCD snímač. Předem děkuji za jakoukoliv odpověď.
S pozdravem Martin Žák (Martin Žák)
Odpověď: Pravděpodobně vás zklamu. Klasická žárovka září díky tomu, že její vlákno je rozžhaveno na velmi vysokou teplotu (až 3000°C) - vyzařuje tedy dle Planckova vyzařovacího zákona spojité spektrum s různou intenzitou jednotlivých vlnových délek. Naproti tomu LED (svítivá dioda) emituje světlo pomocí kvantových jevů na polovodičovém přechodu p-n. Lze tedy očekávat prakticky diskrétní spektrum s výraznou dominancí několika vlnových délek.
