Pasové schéma emise elektronů: Princip

V krystalu se postupně zaplňují dovolené pásy (valenční pásy), které jsou od dalšího dovoleného pásu (vodivostní pás) odděleny zakázaným pásem o šířce. Pás je tvořen několika energetickými hladinami.

Pro další vysvětlování vlastností krystalů je dobré energetické hladiny sloučit do pásů, neboť nebude podstatné, v jaké energetické hladině se elektron nachází, ale pouze do jakého patří pásu.

Elektronové stavy

Elektrony ve valenčním pásu (tj. elektrony s příslušnými energetickými hladinami, které patří do valenčního pásu) se podílejí na vazbě atomu s jinými atomy.

Elektrony v pásu vodivostním jsou z vazeb uvolněné a mohou se jím volně pohybovat.

Schéma jednotlivých pásů je typické pro většinu prvků (krystalů, polovodičů, …), ale pro jednotlivé prvky, krystaly, … se podstatně liší šířkou zakázaného pásu a obsazením jednotlivých pásů.

Čtěte také: Odsávání pásové pily a legislativa

Vodiče

Jejich vodivostní pás a valenční pás se překrývají nebo vodivostní pás je obsazen z jedné poloviny (aby měl elektron po uvolnění se z vazby kam přejít) a oba pásy jsou od sebe odděleny zakázaným pásem šířky.

Vzhledem k malé šířce zakázaného pásu stačí nepatrný vliv elektrického pole k tomu, aby se některé elektrony dostaly z pásu valenčního do vodivostního (tj. získaly energii nutnou na překonání zakázaného pásu) a začaly se usměrněně pohybovat.

Umístění valenčního a vodivostního pásu vzhledem k Fermiho energii ukazuje obr.

Izolanty

Valenční pás je zcela zaplněn a mezi vodivostním pásem a valenčním pásem je zakázaný pás šířky.

Vnější elektrické pole, které by bylo schopno dodat některému elektronu tak velkou dodatečnou energii, aby přešel z pásu valenčního do vodivostního, je nesmírně silné.

Čtěte také: Rypadlo Liebherr a životní prostředí

Jeho působením pak zpravidla dochází i k porušení krystalové mřížky, což se navenek (makroskopicky) projeví probitím nebo spálením izolantu.

Souvislost valenčního a vodivostního pásu s Fermiho energií ukazuje obr.

Polovodiče

Při mají vlastní polovodiče valenční pás zcela zaplněn a vodivostní pás zcela prázdný.

S rostoucí teplotou některé elektrony „přeskočí“ do vodivostního pásu, a tak s rostoucí teplotou roste vodivost polovodiče.

Tímto přechodem se elektron uvolní z kovalentních vazeb a začíná se pohybovat krystalem.

Čtěte také: Česká klimatická strategie

Díra je prázdné místo po elektronu - nepatří tedy mezi „normální“ částice.

Vzhledem k tomu, že se může „přemístit“ v krystalu polovodiče tím, že jí zaplní jiný elektron, po kterém vznikne díra jinde, hovoří se o ní jako o kvazičástici.

Polovodič typu N

Tvořen kombinací prvků ze 4. a 5. skupiny periodické soustavy prvků.

Prvek z 5. skupiny dává k dispozici jeden elektron.

Ten ale není volný, takže nemůže být ve vodivostním pásu.

Je v pásu valenčním nebo v zakázaném pásu.

Vzhledem k tomu, že tento 5. elektron je velmi slabě vázán k jádru, stačí malá energie k jeho uvolnění.

Proto nemůže být v pásu valenčním, ale je v pásu zakázaném na tzv. donorových hladinách.

Polovodič typu P

Tvořen kombinací prvků ze 4. a 3. skupiny periodické soustavy prvků.

Prvku ze 3. skupiny chybí jeden elektron, takže v polovodiči vzniká díra.

Elektrony příměsi (tj. prvku ze 3. skupiny) se nalézají v zakázaném pásu, ale tentokráte v blízkosti pásu valenčního na akceptorových hladinách.

Akceptorové hladiny jsou neobsazené, jsou schopné přijmout elektron, který prvku ze 3. skupiny chybí na vytvoření pevné kovalentní vazby s prvkem 4. skupiny (to je ten prvek, který je základem polovodiče - např. křemík).

Excitace elektronů

Energii nutnou k překonání zakázaného pásu lze získat několika způsoby:

1. Tepelná excitace: Kladné ionty krystalové mřížky neustále kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Elektron proto může získat energii, která stačí na překonání energie vazebné (tj. na překonání zakázaného pásu). Při pokojových teplotách () je energie tepelných kmitů a uvolňuje se tedy tímto způsobem velice málo elektronů.
2. Světelná excitace (vnitřní fotoefekt): Elektron může energii získat dopadem elektromagnetického záření (světla). Záření má energii, která je přímo úměrná jeho frekvenci.
3. Excitace silným elektrickým polem: Při pokojových teplotách nepřipadá tento způsob v úvahu, neboť by bylo nutné použít elektrické pole s tak velkou elektrickou intenzitou, která by daný materiál zničila (nastal by tzv. průraz).

Trojmocné kovy (Al, …) nejsou lepšími vodiči než kovy jednomocné, protože ze tří valenčních elektronů připadajících na atom pouze poslední lichý vstupuje do neobsazeného vodivostního pásu a může tedy být nositelem volného náboje.

Existenci dvojmocných kovů (Mg, Zn, …) lze též snadno vysvětlit.

Rozšíření hladin v pásy může být značné a stává se, že se dovolené pásy překrývají.

Celkový sudý počet elektronů 2N se pak rozdělí do dvou pásů, schopných pojmout celkem 4N elektronů.

S rostoucí teplotou se mění jak u kovů tak u polovodičů měrný odpor.

U kovů se při každé teplotě mohou podílet na přenosu náboje všechny elektrony ve vodivostním pásu.

Vzhledem k tomu, že jich je v tomto pásu málo, je měrný odpor kovů malý.

S rostoucí teplotou měrný odpor mírně vzrůstá.

Prudkému nárůstu brání kmity mříže, které se s rostoucí teplotou zvětšují a stále více překážejí pohybu elektronů.

Uvedená závislost je schematicky zobrazena na obr.

Energetické hladiny v nekrystalických pevných látkách (sklo, …) nejsou tak jednoznačné - dovolené pásy nemají tak ostré hranice jako u krystalů.

tags: #pasove #schema #emise #elektronu #princip

Oblíbené příspěvky:

• Druhy a vlastnosti ekologických nátěrů
• Svoz odpadu Pardubice - harmonogram
• Malba voskem
• Programy podnikové ekologie
• Dopady světelného znečištění