Atomer, ledare och halvledare. Kapitel 40-41

Transkript

1 Atomer, ledare och halvledare Kapitel 40-41

2 Centrala begrepp Kvantiserade energinivåer i atomer Elektronspinn och finstruktur Elektronen i en atom både banimpulsmoment, som karakteriseras av kvanttalet l (och dess projektion på z axeln som definieras av m l ) och spinn (inre impulsmoment), som karakteriseras av kvanttalet s (och dess projektion på z axeln som definieras av m s ). l = 0,1,2,, n 1 m l = 0, ±1, ±2,, ±l s = 1 2 m l = ± 1 2 Pauliprincipen Elektroner bundna till samma potentialgrop kan inte ha samma set av kvanttal. Periodiska systemet Grundämnen är ordnade enligt ökande kärnladdning Ze där Z står för båda antalet protoner och elektroner i den neutrala atomen.

3 Centrala begrepp Dopade halvledere Fasta ämnen energiband Då atomerna i ett fastämne ordnar sig i en väldefinierad kristallstruktur förändras också elektronernas tillåtna energinivåer. n-typs halvledare p-typs halvledare pn-diod Passpänning Spärrspänning Utan spänning 3

4 1. Vilket av följande påståenden angående elektronen i väteatomens grundtillstånd är sant, då man ser på atomens kvantmekaniska modell? A. Joniseringsenergin för grundtillståndet är noll. B. Elektronens banimpulsmoment L i grundtillståndet är noll. C. Bindningsenergin för elektronen i grundtillståndet är noll. D. Elektronen i grundtillståndet har noll kinetisk energi. E. Inget av påståendena 1-4 är sant. 4

5 1. Vilket av följande påståenden angående elektronen i väteatomens grundtillstånd är sant, då man ser på atomens kvantmekaniska modell? A. Joniseringsenergin för grundtillståndet är noll. B. Elektronens banimpulsmoment L i grundtillståndet är noll. C. Bindningsenergin för elektronen i grundtillståndet är noll. D. Elektronen i grundtillståndet har noll kinetisk energi. E. Inget av påståendena 1-4 är sant. 5

6 2. En elektron i en väteatom beskrivs av kvantalen n = 8 och Vilka är de möjliga värdena på bankvantalet l? A. 0 eller 4 B. 0, 1, 2, 3 eller 4 C. 4 eller 7 D. 5, 6, 7 eller 8 E. 4, 5, 6, eller 7 m 4 6

7 2. En elektron i en väteatom beskrivs av kvantalen n = 8 och Vilka är de möjliga värdena på bankvantalet l? A. 0 eller 4 B. 0, 1, 2, 3 eller 4 C. 4 eller 7 D. 5, 6, 7 eller 8 E. 4, 5, 6, eller 7 m 4 7

8 3. Vilket av de följande påståenden beskriver bäst Paulis uteslutningsprincip? A. Två elektroner kan inte occupera atomens lägsta energinivå. B. Två elektroner kan inte ha samma spinkvanttal. C. Elektroner bundna till samma energinivå kan inte ha samma kvanttal. D. Då T = 0 K befinner sig alla elektroner bundna till en atom på den lägsta energinivån. 8

9 3. Vilket av de följande påståenden beskriver bäst Paulis uteslutningsprincip? A. Två elektroner kan inte occupera atomens lägsta energinivå. B. Två elektroner kan inte ha samma spinkvanttal. C. Elektroner bundna till samma energinivå kan inte ha samma kvanttal. D. Då T = 0 K befinner sig alla elektroner bundna till en atom på den lägsta energinivån. 9

10 4. En elektron går från ett högre till ett lägre energitillstånd utan yttre påverkan. I transitionen emitteras en foton i en slumpmässig riktning. Vad kallas denna emissionsprocess. A. stationär emission B. spontan emission C. spektral emission D. stimulerad emission E. riktad emission 10

11 4. En elektron går från ett högre till ett lägre energitillstånd utan yttre påverkan. I transitionen emitteras en foton i en slumpmässig riktning. Vad kallas denna emissionsprocess. A. stationär emission B. spontan emission C. spektral emission D. stimulerad emission E. riktad emission 11

12 5. Figuren illustrerat en väteatoms energidiagram. Olika övergångar visas i figuren (märk att diagrammet inte är i skala). Vilken av övergångarna svarar mot en absorption av en foton med den längsta respektive kortaste våglängden? A B C D E 12

13 5. Figuren illustrerat en väteatoms energidiagram. Olika övergångar visas i figuren (märk att diagrammet inte är i skala). Vilken av övergångarna svarar mot en absorption av en foton med den längsta respektive kortaste våglängden? A B C D Längst Kortast E 13

14 6. Vilket av följande påståenden stämmer överens för elektromagnetisk strålning som atomer (av samma grundämne) emitterar? A. En samling atomer emitterar elektromagnetisk strålning med en kontinuerlig fördelning av våglängder. B. Atomer emitterar endast strålning i den synliga delen av det elektromagnetiska spektret. C. Fria atomer har 3n unika linjer i dess spektra där n är antalet elektroner. D. Den elektromagnetiska strålningen som emitteras av fria atomer är specifik för den ifrågavarande atomens grundämne. 14

15 6. Vilket av följande påståenden stämmer överens för elektromagnetisk strålning som atomer (av samma grundämne) emitterar? A. En samling atomer emitterar elektromagnetisk strålning med en kontinuerlig fördelning av våglängder. B. Atomer emitterar endast strålning i den synliga delen av det elektromagnetiska spektret. C. Fria atomer har 3n unika linjer i dess spektra där n är antalet elektroner. D. Den elektromagnetiska strålningen som emitteras av fria atomer är specifik för den ifrågavarande atomens grundämne. 15

16 Energi 7. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en isolator? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

17 Energi 7. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en isolator? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

18 Energi 8. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en metall? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

19 Energi 8. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en metall? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

20 Energi 9. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en halvledare? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

21 Energi 9. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer kan vara en halvledare? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

22 Energi 10. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer är ofysikalisk? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

23 Energi 10. Vilken/vilka av följande schematiska energibandsstrukturer är ofysikalisk? Den röda färgen indikerar fulla elektrontillstånd

24 11. Vad är orsaken till att resistiviteten i en metall ökar med ökande temperatur? A. Elektroner kan inte exiteras till högre energinivåer fast temperaturen ökar. B. Elektronerna genomgår fler kollisioner då temperaturen ökar. C. Ferminivån för metaller beror inte av temperaturen. D. Energiavståndet till nästa fria energiband är för stort. E. Inget av påståendena 1-4 är korrekt. 24

25 11. Vad är orsaken till att resistiviteten i en metall ökar med ökande temperatur? A. Elektroner kan inte exiteras till högre energinivåer fast temperaturen ökar. B. Elektronerna genomgår fler kollisioner då temperaturen ökar. C. Ferminivån för metaller beror inte av temperaturen. D. Energiavståndet till nästa fria energiband är för stort. E. Inget av påståendena 1-4 är korrekt. 25

26 12. Vilken av följande egenskaper är huvudskillnaden mellan isolatorer och halvledare? 1. Energigapet mellan ledningsbandet och valensbandet är större för isolatorer. 2. Energigapet mellan ledningsbandet och valensbandet är mindre för isolatorer. 3. Valensbandets bredd är större för halvledare. 4. Ledningsbandets bredd är större för halvledare. 5. Inget av påståendena 1-4 är korrekt. 26

27 12. Vilken av följande egenskaper är huvudskillnaden mellan isolatorer och halvledare? 1. Energigapet mellan ledningsbandet och valensbandet är större för isolatorer. 2. Energigapet mellan ledningsbandet och valensbandet är mindre för isolatorer. 3. Valensbandets bredd är större för halvledare. 4. Ledningsbandets bredd är större för halvledare. 5. Inget av påståendena 1-4 är korrekt. 27

28 13. Vad finns det mera av i odopat kisel, hål i valensbandet eller elektroner i ledningsbandet? 1. hål i valensbandet 2. elektroner i ledningsbandet 3. lika mycket av både hål och ledningselektroner 28

29 13. Vad finns det mera av i odopat kisel, hål i valensbandet eller elektroner i ledningsbandet? 1. hål i valensbandet 2. elektroner i ledningsbandet 3. lika mycket av både hål och ledningselektroner 29

30 14. Varför ökar ledningsförmågan i kisel då man blander lite bor (B) i en kiselkristall? Bor hittas i grupp III i periodiska tabellen. 1. Bor leder bättre ström än kisel. 2. Boratomen joniseras i kiselgittret och leder därför ström. 3. Boratomen joniseras och donerar en elektron till ledningsbandet i kisel. 4. Inget av påståendena 1-3 är korrekt. 30

31 14. Varför ökar ledningsförmågan i kisel då man blander lite bor (B) i en kiselkristall? Bor hittas i grupp III i periodiska tabellen. 1. Bor leder bättre ström än kisel. 2. Boratomen joniseras i kiselgittret och leder därför ström. 3. Boratomen joniseras och donerar en elektron till ledningsbandet i kisel. 4. Inget av påståendena 1-3 är korrekt. 31

32 15. Vad indikerar +/- tecknen i nedanstående schematiska pnskikt? p n 1. negativt och positivt laddade gitteratomer 2. negativt och positivt laddade dopatomer 3. negativa och positiva laddningsbärare, dvs. hål och ledningselektroner 4. positiv och negativ spänning 32

33 15. Vad indikerar +/- tecknen i nedanstående schematiska pnskikt? p n 1. negativt och positivt laddade gitteratomer 2. negativt och positivt laddade dopatomer 3. negativa och positiva laddningsbärare, dvs. hål och ledningselektroner 4. positiv och negativ spänning 33

34 16. Ett pn-skik består av en n-typs halvledare på vänstra sidan och p-typs halvledare på högra sidan. Kommer ett elfält att bildas över skiktet? Vad är riktingen på detta elfält i så fall? 1. Inget elfält bilas om inte skiktet kopplas till ett batteri. 2. Fältet går från vänster till höger. 3. Fältet går från höger till vänster. 4. Inget elfält existerar på grund av utarmningsskiktet. 34

35 16. Ett pn-skik består av en n-typs halvledare på vänstra sidan och p-typs halvledare på högra sidan. Kommer ett elfält att bildas över skiktet? Vad är riktingen på detta elfält i så fall? 1. Inget elfält bilas om inte skiktet kopplas till ett batteri. 2. Fältet går från vänster till höger. 3. Fältet går från höger till vänster. 4. Inget elfält existerar på grund av utarmningsskiktet. 35

36 17. Vad begränsar bredden L på utarmningsområdet i en okopplad halvledardiod? L p n A. antalet hål på p-sidan och antalet ledningselektroner på n- sidan B. antalet hål på n-sidan och antalet ledningselektroner på p- sidan C. antalet dopatomer på n- och p-sidan D. elfältet i utarmningsområdet E. halvledarens bandgap 36

37 17. Vad begränsar bredden L på utarmningsområdet i en okopplad halvledardiod? L p n A. antalet hål på p-sidan och antalet ledningselektroner på n- sidan B. antalet hål på n-sidan och antalet ledningselektroner på p- sidan C. antalet dopatomer på n- och p-sidan D. elfältet i utarmningsområdet E. halvledarens bandgap 37

38 18. I nedanstående figurer syns samma schematiska halvledardiod okopplad, kopplad i passriktningen och kopplad i spärriktningen. Para ihop rätt figurer med rätt koppling. p n 1 p n 3 p n 2 38

39 18. I nedanstående figurer syns samma schematiska halvledardiod okopplad, kopplad i passriktningen och kopplad i spärriktningen. Para ihop rätt figurer med rätt koppling. p Passkopplad n 1 p Spärrkopplad n 3 p Okopplad n 2 39