ZÁKLADNÍ PRAVIDLA KVANTOVÉ TEORIE


Elektron v izolovaném atomu

V roce 1913 stanovil Niels Bohr tři postuláty, vysvětlující některé do té doby nepochopitelné vlastnosti elektronů:

1.      Elektron může trvale kroužit kolem jádra jen v některé  z určitých drah (kvantových drah, orbitů).

2.      Pokud elektron obíhá v některé z kvantových drah, atom nevyzařuje žádnou energii, jeho energie je konstantní.

3.      Při přechodu elektronu z jedné kvantové dráhy na druhou atom energii bud' absorbuje nebo emituje.

Tato kvantizace drah pohybu elektronu vede ke kvantizaci energie elektronu. Podle [8], pro elektron s hlavním  kvantovým číslem n je tato energie:

  ( 2-1 )

kde           E         je vazebná energie elektronu v atomu vodíku,
m0     je hmotnost volného  elektronu (0,91.10-30 kg),
q        je absolutní hodnota náboje elektronu  (1,602 . 10-19 C),
e0       je permitivita vakua (8,854.10-12 Fm-1 ),
 h        je Planckova konstanta (6,626.10-34 Js), h= h/2p,
n        je hlavní kvantové číslo (identifikátor orbitu).

Jednotka elektronvolt (eV) je jednotka energie (1 eV = 1,602 .10-19 J). Vazebná  energie elektronu je záporná, vazebnou energii v nekonečnu (tj. energii volného  elektronu ve vakuu) klademe rovnu nule. Energie elektronu je tedy uvnitř vodíkového atomu omezena pouze na určité hodnoty (viz obr.2-1) a z Bohrova modelu vyplývá, že přechod elektronu z orbitu s vyšším kvantovým číslem n na orbit s nižším kvantovým číslem n je provázen vyzářením energie o hodnotě  rovné rozdílu energií těchto dvou orbitů. Tato energie je zpravidla světelná 
(DE = h.v) a proto můžeme pozorovat emitované světlo pouze o diskrétních vlnových délkách.

Obr. 2-1 Vodíkový atom - první tři dovolené kvantové dráhy a jejich energie

Podobně jako vodíkový atom můžeme znázornit i komplexnější 14 elektronový atom křemíku (obr. 2-2). Zde 10 ze 14 elektronů obsazují energetické úrovně o velmi nízké energii a jsou velmi těsně svázány s jádrem atomu. Tato  vazebná energie je tak silná, že během chemických reakcí zůstává prakticky neporušena. Tyto elektrony nazýváme vnitřní elektrony. Zbývající 4 elektrony jsou vázány relativně slabě, účastní se chemických reakcí a jsou nazývány valenčními elektrony.

 

Obr. 2-2 Izolovaný atom křemíku

Přehled základů fyziky polovodičů

S ohledem na elektrickou vodivost lze rozdělit pevné látky na vodivé a nevodivé, což je známé již od roku 1729 (S. Gray). Teprve M. Faraday objevil r. 1833 záporný teplotní součinitel odporu na Ag2S, a tím i novou skupinu látek ­polovodiče. Již v osmdesátých letech minulého století byly známy čtyři hlavní  znaky charakterizující polovodiče. Vedle záporného teplotního součinitele odporu  byl znám fotoelektrický jev (Becquerel 1839), vznik napětí na osvětleném styku  polovodiče s elektrolytem a fotoodporový jev na selenu (W. Smith, 1873) a fotovoltaický jev - selenový fotočlánek (Adams a Day, 1876), dále usměrňovací jev  objevený Brownem r. 1874 na hrotovém detektoru z PbS a z pyritu. Technické  aplikace začínaly konstrukcí selenových fotočlánků a selenových usměrňovačů  (Fritts, 1883). V roce 1879 byl objeven Hallův jev, který se stal velice důležitým  pro vyšetřování vodivostního mechanismu a používá se dodnes. Bose uváděl r.1904 hrotový detektor pro detekci Hertzových vln. V téže době začínal A. F. Ioffe  se systematickým průzkumem iontových krystalů. Milníkem v historii polovodičů  bylo vypracování pásového modelu (r. 1931) A. H. Wilsonem a teorie usměrňovacího  jevu, kterou nezávisle na sobě rozpracovali N. F. Mott v Anglii, W. Schottky  v Německu a B. J. Davidov v Sovětském svazu v roce 1938. Systematický výzkum  na germaniu a křemíku ve čtyřicátých letech vedl nejen ke konstrukci vysoko­frekvenčních diod pro radar, ale také ověřoval pásový model na jednoduchých  elementárních polovodičích, což se dříve v případě Se a Cu20 nepodařilo. Tranzis­torový efekt, který objevil v r. 1947 W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil  epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes. 

[ MENU | LITERATURA | SYMBOLY]