13: Fysikk og teknologi

Term
1 / 37
krystallstruktur
Click the card to flip 👆
Terms in this set (37)
krystallstruktur
i et fast stoff er det mange elektroner i hvert atom.
atonebe sitter så tett sammen at de påvirker hverandres energitilstander sterkt. Vi snakker gjerne om en krystallstruktur
Atomstruktur
i faste stoffer er atomene ordnet i en krystall struktur hvr atomene påvirker hverandres energinivå.
I gass er energinivåene i et atom slik vi så i kap 3 (hydrogenatom kan befinne seg i ulike energitilstander). for å bli eksitert til en høyere energitilstand må atomet få tilført energi. i H2(g) kan dette skje ved at atomet absorberer et foton. etter en kort stund faller atomet tilbake til grunntilstanden, og atomet avgir sin energi i form av ett eller flere fotoner
Energibånd
oppstår som et resultat av påvirkningen mellom atomer i et fast stoff. deles inn i valensbånd og ledningsbånd
ledningsbåndet
består av nesten frie elektroner (ikke bundet til et atom)
har høyere energi enn valensbåndet. Når e- er i ledningsbåndet, kan elektriske krefter få dem til å bevege seg i en bestemt retning slik at det oppstår strøm (leningselektroner)
valensbåndet
består av elektroner som er bundet til atomkjernene, og er elektronene som befinner seg i ytterskall i Bohrs atommodell.
det er de e- som bidrar til kjemiske bindinger med andre atomer
båndgap
avstanden mellom båndene
rekombinasjon og eksitasjon
- fotoner kan eksitere elektroner fra valensbåndet opp til ledningsbåndet via absorbsjon av fotoner eller ved høy nok temperatur.
- et e- som faller ned fra ledningsbåndet til valensbåndet kan emittere et foton
- når et e- eksiteres, etterlater en ledig plass for et elektron i atomet (hull). Dersom et elektron de-eksiterer ned i et slikt hull, rekombinsjon
termisk eksitasjon
- for en bestemt temperatur er det hele tiden en viss sannsynlighet for at ett bestemt elektron får nok energi til å overvinne energitapet, og kommer seg opp i ledningsbåndet.
- mengden T.E-atomer avhenger av temperaturen og størrelsen på energigapet.
jo større energigap, desto dårligere ledningsevne
forskjellen på leder, halvleder og isolator
handler om avstanden mellom energiåndene
leder
har menge elektroner i ledningsbåndet fordi det ikke er noe båndgap mellom valensbåndet og ledningsbåndet
Halvlederhar kun noen elektroner i lednignsbåndet siden det er et båndgap. Derfor er det vanskeligere for e- å eksitere opp i ledningsbåndet (Eg er mellom 0,1 og 0,5 aj)isolatorhar et stort båndgap skal mye til at det kan eksiteres e- opp i ledningsbåndet (1aJ eller større)eeeelektrisk strøm i halvledereks Si:- hvert Si-atom har 4 valenselektroner, bundet sammen med elektronparbinding (8-regel) enkelte valenselekktroner hopper til ledningsbåndet (bevegelige ledningselektroner), danner elektronstrøm hvis halvlederen får elektriske krefter e- er negative landingsbærere. Når e- river seg løst, er det et positivt ladd Si-atom igjen. den ledige plassen i valsensbåndet er et hull - hullet kan fylles igjen hvis et e- i ledningsbåndet fyller tilbake til valensbåndet - hullet kan også fylles av et elektron som befinner seg i valensbåndet i et naboatom - naboatomet som får hull blir positivt ladd. denne prosessen kan gjenta seg --> hullet virker som en positiv landningsbærer. - Si- utsatt for elektriske krefter = hullstrømelektronstrøm i ledningsbåndetskyldes bevegelse av elektroner i l.b. elektronene beveger seg i negativ retninghullstrøm i valensbåndetskyldes bevegelser av elektroner i valensbånd. hullene beveger seg i positiv strømretningtrandusererkonverterer energiformer fra/til elektrisk energi. transdusere som omformer til elektrisk energi kalles "sensorer" - elle instrumenter som måler fysiske størrelser må kalibreres nullstilles/justeres en måleskala mot kjente størrelser.temperaturskalabaseres på at motstanden i metaller endrer seg når temperaturen endrer seg. - ulike metaller har ulike sammenheng mellom motstand og temperatur (lineær og eksponentiell)termistypisk materialle i RTDkobber, nikkel og platinatermistortemperatursensor laget av halvledere pga. termisk eksitasjon minker motstanden med temperaturenfotomotstand/LDRbaserer seg på at fotoner eksiterer elektroner fra valensbåndet til lengingsbåndet og dermed minker motstanden med økende lysstyrkeluxlysstyrke per kvadratmeter. Det er det samme som innstrålingstetthet, men baserer seg på hvordan vi oppfatter lys i motsetning til energi (W) - jo mer intenst lyset er, desto flere atomer blir eksitert per sekund.DioderDopede halvledere. - dioder er en gruppe komponenter som det fins mange av i mobiltelefon og i all annen elektronikkbasert teknologi. Vanligste: pn-iopder, bygget av halvledere som er dopet. Si er det vanligste å bruke i halvledere. - doping går ut på å bytte ut et Si atom med eks: fosfor (P - 4 valenselektroner) eller aluminium (Al - 3 valenselektroner) for å få overskuddelektroner og hulln-lederer en halvleder som har blitt dopet eks: fosfor(ekstra elektron) - den er løst bundet til atomet sitt og har en energi tett oppunder ledningsbåndet, markert som en stiplet linje^p-lederer en halvleder som har blitt dopet med eks aluminium (positive hull) - i p-lederen går det hullstrøm (valenselektroner i bevegelse), i n-lederen går det elektronstrøm (ledningselektroner i bevegelse)pn-overgang: Når p-leder møter n-ledernår p-leder og en n-leder settes sammen, oppstår et sperresjikte grunnet fra n-side rekombinerer med hull på p-side. - dette skaper netto ladning på hver side av grenseflaten mellom ledere og kan utnyttes ved å legge en spenning over hovedlederenmanipulering av sperresjiktet- når vi kobler på en spenningskilde, vil strømmen kun gå dersom den negative polen er koblet til n-siden og den positive til p-sidenlysdiode (LED)vi kobler på en ekstern spenning i ledningsretningen rekombinasjonen som skjer gjør at fotoner sendes ut. - avstanden mellom valensbånd og ledningsbånd avgjør bølgelengden til lyset Ef= h*f=hc/λ c= f*λfotodiodevi kobler på en eksoterm spenningskilde i sperreretningen. eksitasjoner grunnet fotoner skaper strømmen. avstanden mellom valensbåndet og ledningsbåndet avgjør bølgelengden fotonene må ha for å eksitere elektronenedioder som er likerettehvis vi har en vekselstrømkilde (AC) og ønsker å få ut likestrøm (DC), kan vi bruke en diode som er skjermet mot lys. Da veksler vi på å sende strøm i ledningsretningen og sperreretningenU-I karakteristikk for diodeDet må en viss spenning til for at elektronene skal klare å flytte seg. - I-U karakteristikk for en diode som er koplet i lederretningen: den påtrykte spenningen må være større enn sperrespenningen for at de elektriske frastøtningskreftene skal overvinnes. Da kan sperreskjektet fylles med ladningsbærere slik at hull og ledningselektroner kan møtes.solcellersolceller er fotodioder tilkoblet en ekstern krets uten en spenningskilde koplet på. - en solcelle er i hovedsak en pn-overgang der sollys blitt omdannet til likestrøm(fotodiode som utnytter den strømmen som blir dannet i en ytre krets) - når det kommer lys gjennom det tynne p-lageret, blir fotoner absorbert i omkring sperresjiktet og par av e- og hull blir dannet => beveger seg ledningsbærere ut av spenningsjiktet pga. elektriske kreftene som fins der. e- trekket til positiv/n-side, hullene beveger seg mot negativ/p-side. bevegelse av + og - ladningsbærerne i hver retning = strømmen kan drive inn strøm i en ytre krets.CCD (bildebrikker)-Består av et rutenett av fotodioder. - alle eksitasjoner blir registrert som en spenning og er koblet til hvor mange fotoner som traff akkurat den fotodioden. - Fargebilder er produsert ved at fire og fire fotodioder til sammen gir informasjon om fargen. 2 dioder registrerer grønt, resterende to registrerer rødt og blått. - alle spenningene leses av og prosesseres i kameraet til et bilde. - Et fargepunkt kalles en piksel, og dagens kamera har nærmere 10 megapikslertransistorer: teori 1en halvleder, 3 ulike dopede områder=2 sperresjikt. npn-transistorer - halvlederkrystall som er dopet 3.ganger (n-p-n) to pn-overganger. - basis:tynt/svakt dopet - Emitter(utsender): gir fra seg ladningsbærere - kollektor (oppsamler): tar imot/samler opp ladningsbærere. Er hardest dopet og har derfor flest ladningsbærere.transistorer: teori 2emitteren er hardest dopet for å kunne sende fra seg manglende ledningselektroner. - basen er svakt dopet slik at rekombinasjon ikke alltid skjer når strøm går gjennom transistoren.trasistorer: teori 3hvis vi legger en spenning over basen og emmiterer, vil sperresjiktet mellom disse reduseres, og strøm kan gå denne veien. - på grunn av få hull i basen, vil overskuddselektronene dras over sperresjektet mellom base og kollektor og vi får en stor strøm på grunn av denne kraftige dopingen i emitteren.bruksområder for transistorer- en transistor kan fungere som en bryter ved å justere spenningen over base-emitter. Ingen spenning=ingen strøm. - En transistor kan fungere som en forsterker ved at en liten strøm på en base- emitter resulterer i en stor strøm ut dra kollektortransistorer i moderne teknologi og fremtidens datamaskiner- dagens PC-er hadde ikke vært mulig uten bruk av transistorer som brytere (0 og 1). En 0 eller 1 er balt en bit. en samling transistorer kalles en integrert krets. Dette er for eksempel prosessoren (CPU) i en PC. - tettheten av transistorer gjør at uønskede kvante-effekter snart blir et problem. - kvante-datamaskin er fremtiden der partikler kan være i en tilstand av både 0 og 1, Qubit