Физика чврстог стања
Физика чврстог стања је грана физике која проучава структуру материје у чврстом стању (чврсто агрегатно стање) те уз помоћ квантне физике истражује својства и процесе у кристалном и аморфном облику материје, својства кристалисане материје и појаве везане уз промене физичких величина (на пример температуре, притиска, димензија и облика микрокристала, броја и врсте дефеката у кристалној решетки и друго). Законитости утврђене за кристалисану материју примењују се делимично и на аморфне чврсте материје или смеше кристалне и аморфне материје те високовискозне течности (на пример фотоосетљива стакла, чврсте полимере, керамику и друго). Микроскопска теорија чврстог стања примена је квантне механике на чврсто стање. Њени резултати успешно тумаче квалитативне разлике међу различитим чврстим телима, а у многим случајевима омогућују и квантитативни приступ својствима тих тела. Будући да је чврсто стање систем од великог броја атома, теорија чврстог стања служи се низом приближења (апроксимација). Тако се претпоставља да се понашање атомских језгара и електрона може описивати независно. При разматрању кретања језгара не узима се у обзир кретање електрона, тј. атоми се посматрају као целине. Такав је приступ оправдан за објашњење неких механичких и термодинамичких својстава која потичу од међусобног еластичног везивања атома. Разматрају ли се електронска стања, узима се да атомска језгра мирују. Та је претпоставка је у знатној мери оправдана, јер се у нормалним околностима електрони крећу знатно брже него језгра која су много веће масе од електрона. Како су за својства чврстог стања најважнији валентни електрони, посматрају се само ти електрони, а утицај електрона у дубљим електронским љускама узима се у обзир кроз њихов допринос електричном пољу око језгара. Претпоставља се да у првом приближењу (апроксимацији) сваки валентни електрон може бити описан властитом таласном функцијом. Развиле су се две методе у описивању међуделовања (интеракције) валентних електрона: атомска апроксимација и апроксимација слободним електронима.
Атомско приближење или апроксимација уреди
У атомској апроксимацији чврсто тело се посматра се као агрегат атома који су доведени на мале удаљености једни од других, али су задржали своју пуну индивидуалност. Валентни електрони у тој апроксимацији везани су уз одређена језгра, а према томе она у основи описује стање диелектрика, као што су јонски кристали, али и сва друга чврста тела која у непобуђеном стању немају водљивих електрона. Будући да се претпоставља кретање валентних електрона по идентичним орбитама, њихови се енергетски спектри подударају. Модел којим се користи атомска апроксимација омогућава да се на основи познатих електростатичких сила међу јонима у решетки израчунају енергија везе јонских кристала, механичка и термодинамичка својства и дифузија у јонској решетки. На основу тог модела добро се описују и побуђена стања атома у изолатору. Изолатор може апсорбовати светлост одређене таласне дужине, а да притом не постане фотопроводан. Међутим електромагнетно зрачење довољно велике енергије (свакако коначне) ослобађа електроне из њихових атомских или молекуларних орбитала на исти начин као при јонизацији атома или молекула. Тако се објашњава фотопроводљивост.
Изолатор у чврстом стању може у кристалној решетки да садржи примесе страних атома или неке друге дефекте. Електрони који се налазе уз дефекте нису везани истим силама као електрони који се налазе уз регуларне атоме. Они имају друкчија побуђена стања и друкчије јонизационе потенцијале. Ако су ти јонизациони потенцијали нижи него јонизациони потенцијали електрона у чистој материји, фотопроводност супстанције која садржи примесе одређена је у првом реду присутним примесама. Већина фотопроводних чврстих материја које се практично употребљавају тог су типа. Ако је већ топлотна енергија довољна за ослобађање електрона примеса, материја се понаша као полупроводник с примесном проводношћу. Понашање полупроводника с властитом проводношу такође се тумачи на тај начин: топлотне промене (флуктуације) на собној температури узрокују јонизацију регуларних атома решетке.
Приближење или апроксимација слободним електронима уреди
У апроксимацији слободним електронима полази се од претпоставке да валентни електрони у чврстом стању нису локализовани уз поједине атоме, него се крећу по целој макроскопској запремини. Њихово кретање кроз периодични потенцијал кристалне решетке заправо се састоји од узастопних пролазака кроз потенцијалне баријере, па их за разлику од слободних електрона у вакууму треба карактерисати ефективном масом различитом од сматеријане масе. Могуће енергије тих електрона чине квазиконтинуирана подручја, такозване енергетске зоне, које се састоје од великог броја врло близу распоређених енергетских нивоа. Енергетске зоне вуку порекло од дискретних нивоа индивидуалних атома; кад се атоми приближују на размак чворова у кристалној решетки, интеракције међу атомима узрокују помак и цепање енергетских нивоа електрона, а такође и њихово ширење у зоне, јер у кристалној решетки са N једнаких и једнако распоређених атома енергетски су нивои N пута деградирани. Зонама су обухваћена могућа енергетска стања електрона; ширина зона износи од 1 до 10 eV. Износ енергије у сваком стању одређен је својствима кристала: симетријом решетке, међуатомскм размацима и просторним распоредом потенцијала у елементарној ћелији. Могућа стања чине такозване допуштене зоне, а енергетски интервали међу њима називају се забрањеним зонама. Распоред електрона по нивоима у зонама одређен је Ферми-Дираковом статистиком; у непобуђеном стању (на температури блиској 0 К) електрони попуњавају све нивое ниже од Фермијевог нивоа. Потпуно пуне и потпуно празне зоне не могу учествовати у проводљивости, него се вањским пољем могу убрзавати само електрони из деломично испуњених зона. Испуњене зоне називају се и валентним зонама, а празна зона изнад валентних зона назива се проводном зоном.
Зонска теорија чврстог стања уреди
Зонска теорија чврстог стања даје задовољавајућа објашњења за широк распон проводљивости чврстих тела (од 108 S/m за метале до 10–17 S/m за добре изолаторе), фотопроводљивости, утицај примеса на проводљивост полупроводника, механичка, оптичка и делимично топлотна и магнетна својства чврстих тела. Тела којима је Фермијев ниво у допуштеној зони су проводници, јер је код њих највиша зона увек само деломично испуњена, тј. та тела увек имају проводне електроне; тела којима Фермијев ниво пада у забрањену зону или су изолатори или полупроводници.
Дефекти кристалне решетке узрокују појаву локалних енергетских нивоа у забрањеној зони. Ако се при неутралном стању дефекта на њихову локалном нивоу налази електрон, ниво се назива донорским, а ако се електрон не налази акцепторским. Због толотних кретања донорски нивои могу давати електроне у проводну зону, а акцепторски нивои примати електроне из валентне зоне. Зато донорне примесе у полупроводницима узрокују електронску проводљивост, а акцепторске примесе шупљинску проводљивост. Тиме се примесна проводљивост разликује од властите проводљивости, у којој учествује увек исти број електрона и шупљина.
Примена уреди
Главне појаве које се испитују у физици чврстог стања су промене проводности у распону температура од апсолутне нуле до тачке топљења и уско везани учинци или ефекти (проводност; суперпроводност; полупроводници; изолатор; фотоелектрични учинак; магнетизам; кондензована материја).[1]
Проводност уреди
Проводност је физичка величина која описује утицај материјала на пренос електричног набоја, топлоте или магнетног поља.[2]
Електрична проводност уреди
Електрична проводност (знак G) електричног проводника од хомогеног материјала дужине l, површине попречног пресека S, дата је изразом:
где је: γ - електрична проводност материјала; реципрочна вредност електричног отпора; мерна је јединица сименс (S).
Топлотна проводност уреди
Топлотна проводност (знак G) описује пренос топлоте кроз материју провођењем, количник је топлотног тока (ɸ) кроз материју и температурне разлике ΔT између две тачке:
реципрочна је вредност топлотног отпора; мерна је јединица ват по келвину (W/K).
Магнетна проводност уреди
Магнетна проводност (знак Λ) шипке или жице, површине попречног пресека S и дужине l, дата је изразом:
где је: μ - магнетна пермеабилност; реципрочна је вредност релуктанције (магнетног отпора) магнетног круга; мерна је јединица хенри (H).
Суперпроводност уреди
Суперпроводност је стање појединих материја које се на ниским температурама очитује у нестанку њиховог електричног отпора, проласку електричне струје кроз танку изолаторску баријеру унутар њих без електричног отпора (Џозефсонов учинак - Брајан Џозефсон) и лебдењу магнета изнад њихове површине (Мајзеров учинак - Волтер Мајзнер).[3] Суперпроводност је квантномеханичка појава и не може се објаснити класичном физиком. Типично настаје у неким материјалима на јако ниским температурама (нижим од -200 °C).
Полупроводници уреди
Полупроводници су материјали којима је електрична проводност мања од проводности проводника, а већа од проводности изолатора. Примена полупроводника у електроници заснива се на могућности промене електричне проводности у широким границама, било променом састава материјала, било применом спољашњих утицаја. Електрична својства полупроводника одређује њихова атомска структура. На температури апсолутне нуле (T = 0 K) валентни електрони, електрони с највећим енергијама у атомима полупроводника, попуњавају све енергије валентног појаса електронских енергијских стања и везани су за матични атом.
С порастом температуре расте енергија електрона. У проводнику се валентни и проводни појас преклапају, па је број слободних електрона који воде електричну струју врло велик. У полупроводницима и изолаторима валентни и проводни појас електронских енергијских стања одвојени су забрањеним појасом са енергијама које електрони не могу попримити. Ослобађају се само они електрони који имају довољно енергије да преко забрањеног појаса пређу у проводни појас електронских енергијских стања. Ширина забрањеног појаса у изолаторима толико је велика да у проводном појасу електронских енергијских стања готово нема електрона. Електрони остају везани за матичне атоме и у изолаторима нема носилаца електричне струје.
У полупроводницима је ширина забрањеног појаса електронских енергијских стања мања. На собној температури, врло мали, али незанемарив број електрона има довољну енергију да се ослободи матичног атома и из валентног прескочи у проводни појас електронских енергијских стања. Електрони у проводном појасу слободно се крећу унутар полупроводника и могу да проводе електричну струју. У атомима које су електрони напустили настају празнине (називају се шупљинама) које могу попуњавати електрони суседних атома, остављајући притом шупљине у атомима из којих долазе, па се шупљине крећу као позитивно наелектрисани електрони. Уз кретање слободних електрона кроз материјал, успоставља се и кретање електрона преко шупљина. Низ прелазака електрона преко шупљина може се једноставније посматрати као кретање шупљина у супротном смеру. Слободни електрони и шупљине заједничким се именом називају носитељима набоја. У полупроводнику без примеса једнак је број слободних електрона и шупљина.
У електроници силицијум је најчешће кориштени полупроводички материјал. Атоми силицијума имају по 4 валентна електрона. Вежу се међусобно у дијамантну кристалну структуру, с распоредом у којем је сваки атом окружен са четири суседна атома. Снажна ковалентна веза међу атомима темељи се на стварању електронских парова, а притом сваки атом дели своје валентне електроне са 4 суседна атома.
Чисти или интринсични полупроводници уреди
Чисти или интринсични полупроводници састоје се само од атома основног материјала, то јест само од истоврсних атома. У таквом се полупроводнику електрони и шупљине стварају у паровима, па је концентрација слободних електрона у проводном појасу једнака концентрацији шупљина у валентном појасу. Због тога је и електрична проводност чистог силицијума мала (σ = 1,56 mS/m) и граничи с електричном проводношћу изолатора. С порастом температуре, концентрације носитеља електричног набоја експоненцијално расту и електрична се проводност чистог полупроводника повећава. Носиоци електричног набоја могу се у полупроводнику стварати и апсорпцијом оптичког или, уопштеније, електромагнетног зрачења (фотогенерација носитеља). Обрнуто, заробљивањем слободног електрона у непопуњену валентну везу, то јест његовим враћањем из проводног појаса у валентни, ослобађа се енергија зрачења. Ти се учинци користе у претварању електричне у оптичку енергију и обрнуто.
Примесни или екстринсични полупроводници уреди
Примесни или екстринсични полупроводници настају допирањем, то јест додавањем примеса жељених својстава у чист полупроводник. Примесе које мењају електричну проводност атома су елеменати са валенцом за један већом или мањом од атома полупроводника. За силицијум су такве примесе атоми петовалентних или тровалентних елемената. Ако се у структуру чистог полупроводника уграде атоми петовалентних елемената (на пример фосфора, арсена или антимона), тада се њихова четири валентна електрона ковалентно вежу с електронима четири суседна силицијумова атома. Пети валентни електрон слабо је везан, на собној се температури ослобађа и улази у проводни појас. Такви петовалентни атоми који дају електроне називају се донори. Полупроводници допирани донорима имају много електрона, којима концентрација n одговара концентрацији донора, а мало шупљина. Ако се, међутим, као примесе користе атоми тровалентних елемената (на пример бор), тада три валентна електрона суделују у ковалентној вези са суседна три силицијумова атома, а веза с четвртим силицијумским атомом остаје непопуњена. Њу попуњава електрон суседног атома, чиме настаје шупљина. Такви тровалентни атоми који примају електроне називају се акцептори. Полупроводници допирани акцепторима имају много шупљина, којима концентрација p одговара концентрацији акцептора, а мало електрона. Од два могућа типа слободних носитеља набоја (електрони и шупљине), већинским се назива онај носитељ којег у полупроводнику има више. Полупроводници у којима су већински носитељи набоја електрони називају се полупроводницима n-типа, а полупроводници у којима су већински носитељи набоја шупљине полупроводницима p-типа.
Силицијум се контролирано допира у широким границама, с концентрацијама примеса од 1014 до 1021 атома/cm3. Сразмерно концентрацијама примеса, мења се и концентрација већинских носилаца. Последица је тога промена електричне проводности силицијума од 102 до 106 S/m. Попут проводника, примесни се полупроводници одликују негативним температурним коефицијентом електричне проводности.
Елементарни полупроводнички материјали уреди
Елементарни полупроводнички материјали су они у којима су сви атоми исте врсте, као што су то елементи силицијум и германијум. У почетку је најзаступљенији полупроводнички материјал био германијум а данас је у електроници најчешћи полупроводнички материјал силицијум, и то због свог прикладног температурног подручја, ниске цене, једноставности и уведености технолошких процеса те прихватљивих радних брзина. Од силицијума се израђује највећи број полупроводничких електронских елемената, али и најсложенија интегрисана кола. Најчешће се употребљава у облику монокристала, а каткад и као поликристал (за израду електрода појединих елемената) те као аморфни силицијум (за израду соларних батерија).
Сложени полупроводнички материјали уреди
Сложени полупроводнички материјали углавном су бинарни, и то грађени од спојева тровалентних и петеровалентних елемената (такозвани III–V полупроводници), односно двовалентних и шестовалентних елемената (II–VI полупроводници). Примери су прве врсте галијум арсенид (GaAs), галијум фосфид (GaP), индијум фосфид (InP) и индијум антимонид (InSb), а примери друге врсте кадмијум сулфид (CdS) и цинков сулфид (ZnS). Често им се додаје и мала количина трећег елемента, чиме настају тернарни полупроводички материјали, на пример алуминијум-галијум-арсенид (AlxGa1–xAs). Притом x означава удео у којем, у галијум арсениду, алуминијумски атоми замењују галијумове атоме. Галијум арсенид понајвише се користи за полупроводничке елементе великих брзина. У том се материјалу изводе и мање сложена, али врло брза интегрисана кола. Уз остале сложене полупроводничке материјале, служи и за израду фотоелектронских елемената.[4]
Изолатори уреди
Изолатор (нем. isolator < франц. isolateur < итал. isolatore) је материја или предмет који спречава или битно смањује додир, проток, повезивање, утицај или физичко деловање. У електротехници, конструкцијски елемент електричних водова те енергетских и телекомуникацијских постројења, који носи и учвршћује електричне проводнике уједно их електричко изолује од осталих делова конструкције. Израде изолатора су нормиране, с прописаним димензијама и својствима. За енергетске електричне водове и постројења изолатор мора одговарати одређеним техничким захтевима с обзиром на механичку чврстоћу, чврстоћу на електрични пробој и прескок, топлотну отпорност (ради могуће појаве електричнога лука), постојаност према утицају околине (у првом реду влаге). За израду изолатора најчешће се употребљава порцулан одређеног квалитета (електропорцулан), каљено стакло и керамички материјали (на пример стеатит). [5]
Фотоелектрични учинак уреди
Фотоелектрични учинак или фотоефект је деловање електромагнетних таласа (инфрацрвених, светлосних, ултраљубичастих, рендгенских и гама-зрачења) на електрично набијене честице у материји; предаја дела или свеукупне енергије фотона (честица електромагнетног зрачења) електронима, протонима или другим честицама; појаве које су последица примарних процеса апсорпције фотона (фотопроводљивост, фотоволтни учинак, фотолуминисценција, фотохемијски учинак и други).
Упијање или апсорпција енергије електромагнетског зрачења у материји тече најчешће путем међуделовања с електронима због њихове мале масе. Фотоелектрични учинак је процес избацивања електрона из стационарних стања у атому, молекулу, металу или другом систему (спољашњи фотоефект). У том је процесу фотон потпуно апсорбован, а његова енергија (hν) утрошена на савладавање потенцијалне енергије везања електрона (B) и на кинетичку енергију електрона (E), према једнакости коју је извео Алберт Ајнштајн 1905. године:
У Комптоновом учинку (Артур Холи Комптон) фотон у судару предаје део енергије електрону и одлази као секундарни фотон мање енергије. У ширем смислу формирање парова, процес стварања пара електрон – позитрон приликом међуделовања (интеракције) фотона с атомском језгром такође се сматра фотоелектричним учинком. Ови процеси збивају се и с протонима и другим честицама у интеракцијама фотона с атомским језграма (такозвани нуклеарни фотоефект). Апсорпција фотона у неком материјалу путем примарних процеса има за последицу различите секундарне појаве.
Фотоводљивост уреди
Фотоводљивост је смањење електричног отпора изолатора или полупроводника када су обасјани светлошћу. На пример селенијум и кадмијум сулфид (CdS) користе се за мерење осветљења мењањем електричног отпора. Фотоволтни учинак је процес претварања (трансформације) енергије фотона у електричну енергију. Када се у прелазном подручју две средине (метал – полупроводник, метал – електролит, n полупроводник – p полупроводник) апсорбују фотони, електрони буду пребачени у више стање енергије (унутрашњи фотоефект) па се тај вишак енергије добија у облику електричне струје (фотоћелије, селенске ћелије, фотоволтни светломери и друго).
Фотолуминисценција уреди
Фотолуминисценција је процес апсорпције фотона с побуђивањем електронских стања, која са закашњењем емитују фотоне друге таласне дужине (луминисценција). Демберов учинак је фотоелектрични учинак у кристалима када се упијањем (апсорпцијом) светлости у кристалу мења концентрација слободних електрона уздуж пута светлосног зрака. Бекерелов учинак је фотоелектрични учинак код осветљених електрода уроњених у електролит.
Примена фотоелектричног учинка уреди
Фотоелектрични учинак користи се у многе практичне сврхе, на пример у вакуумским или гасним фотоћелијама, фотоотпорним ћелијама, фотодиодама, фототранзисторима и за директно претварање Сунчеве енергије у електричну.[6]
Магнетизам уреди
Магнетизам (према магнету што долази од лат. magnes, генитив magnetis < грч. Μαγνῆτıς λίϑος: камен из Магнезије) је скуп појава повезаних с магнетским пољем и са понашањем материја у магнетном пољу. Магнетна својства материјала потичу од магнетног момента атома и њихових међуделовања која могу створити колективно магнетно уређење. Магнетизам атома је последица магнетизма електрона и атомског језгра и њихових међуделовања. Разликује се орбитални магнетски момент, због кретања електрона око атомског језгра, и спински магнетски момент, као властито квантномеханичко својство електрона и језгре. С обзиром на понашање у магнетском пољу, сви се материјали одликују својом магнетском пермеабилношћу. Тако се могу разликовати дијамагнетичне, парамагнетичне, феромагнетичне, феримагнетичне и антиферомагнетичне материје.[7]
Кондензована материја уреди
Кондензована материја је материја настала кондензацијом, материја у којој атоми и молекули снажно узајамно делују те се може налазити у течном или чврстом агрегатном стању, а на изузетно ниским температурама у суперпроводној или супрафлуидној фази. Проблемима и теоријом настајања кондензата бави се физика кондензоване материје, унутар које се проучавају нека својства течности, на пример прелази фаза процеса напаривања и својства танких слојева, епитаксијални раст кристала и посебно својства кластера атома и молекула и нискотемпературна физика. Темеље те гране физике поставио је 1916. немачки физичар Вилхајм Населт (1882. – 1957.) својом теоријом филмске кондензације, коју су у потпуности потврдили каснији експерименти. Данас се физика кондензиране материјаи снажно развија па се издваја као посебна грана физике, иако је битно везана уз друге гране, посебно термодинамику и физику чврстог стања.[8]
Референце уреди
- ^ Физика чврстог стања, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Водљивост, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Суперпроводност, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Полупроводници, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Изолатор, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Фотоелектрични ефект (фотоефект), "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Магнетизам, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
- ^ Кондензирана материја, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2014.
Литература уреди
- Неил W. Асхцрофт анд Н. Давид Мермин, Солид Стате Пхyсицс (Харцоурт: Орландо, 1976).
- Цхарлес Киттел, Интродуцтион то Солид Стате Пхyсицс (Wилеy: Неw Yорк, 2004).
- Х. M. Росенберг, Тхе Солид Стате (Оxфорд Университy Пресс: Оxфорд, 1995).
- Стевен Х. Симон, Тхе Оxфорд Солид Стате Басицс (Оxфорд Университy Пресс: Оxфорд, 2013).
- Оут оф тхе Црyстал Мазе. Цхаптерс фром тхе Хисторy оф Солид Стате Пхyсицс, ед. Лиллиан Ходдесон, Ернест Браун, Јüрген Теицхманн, Спенцер Wеарт (Оxфорд: Оxфорд Университy Пресс, 1992).
- M. А. Омар, Елементарy Солид Стате Пхyсицс (Ревисед Принтинг, Аддисон-Wеслеy, 1993).
