Jedini razlog zašto ljudi znaju za postojanje svijesti – fenomen subjektivnih osjećaja i iskustava – je zato što imamo osjećaja i iskustva.
Ali uprkos stoljećima proučavanja, naučnici tek trebaju postići veliki napredak u razumijevanju svijesti.
Nedavno objavljena knjiga filozofa Philipa Goffa, međutim, duboko je uronila u milenijumsku teoriju koja bi mogla pomoći objasniti svijest – pripisujući je svim oblicima materije, sve do elektrona i kvarkova.
Teorija se naziva panpsizam, a Scientific American nedavno je objavio provokativni intervju s Goffom kako bi istražio ključne tvrdnje njegove knjige.
„Osnovna obaveza je da temeljni sastojci stvarnosti – možda elektroni i kvarkovi – imaju neverovatno jednostavne forme iskustva“, rekao je Goff magazinu.
Prema Goffu, panpsihizam definira svijest ne kao sposobnost razmišljanja o vlastitom postojanju, već jednostavnije kao sposobnost da na neki način iskusite svijet – osjetite bol ili zadovoljstvo, vidite znamenitosti ili čujete zvukove.
Iako je očito da su barem neke životinje svjesne ove definicije – znamo da psi mogu vidjeti i da mačke pružaju zadovoljstvo kad nam bacaju stvari sa stola – izgleda da je opći konsenzus to da, kako životni oblici postaju sve jednostavniji, oni postaju sve manje i manje svjesni dok, u jednom trenutku, jednostavno više nisu.
“Ali barem je koherentno pretpostaviti da se ovaj kontinuitet raspadanja svijesti, iako se nikad sasvim ne isključuje, prelazi u neorgansku materiju”, rekao je Goff za SciAm, “s tim da će temeljne čestice imati gotovo nezamislivo jednostavne oblike iskustva da odražavaju njihovu nevjerojatno jednostavnu prirodu. U to vjeruju panpsiholozi. “
Vjerovanje je da je svijest nekako nešto šta naš mozak radi i da je to i nešto što bi neuroznanstvenici trebali moći shvatiti – ali opet, oni nisu ni blizu tome da to ostvare.
Ako definiramo svijest kao neupadljivu kvalitetu koju posjeduju svi oblici materije, ipak, kao što sugeriraju panpsihisti, mogli bismo se pojaviti s ujedinjenom teorijom svijesti koja se temelji ne samo na nauci, već i kombinaciji nauke i filozofije.
“Ono što nam ovo nudi je prekrasno jednostavan, elegantan način integriranja svijesti u naš naučni svjetonazor,” rekao je Goff za SciAm, “spajajući se onim što znamo o sebi iznutra i onim što nam nauka govori o materiji izvana.”
Kada je u pitanju nauka, naša je paradoksalna era. S jedne strane, istaknuti fizičari proglašavaju da rješavaju zagonetku stvarnosti i time konačno nas rješavaju verskog mita stvaranja. To je poruka o iz knjige poput Grand Design od strane fizičara Stephena Hawkinga i Leonarda Mlodinowa i Svemir iz Ništa od strane Lawrence Krauss-a. Posljedica ovog trijumfalnog pogleda je da će nauka neizbježno rješiti i sve druge misterije.
S druge strane, granice nauke nikada nisu bile očiglednije. U njihovom očajanju za “teorijom svega”, koja ujedinjuje kvantnu mehaniku i relativnost i objašnjava porjeklo i strukturu našeg Svemira fizičari su prihvatili pseudo-naučne spekulacije kao što su teorije sa više univerzuma i antropični princip (koji kaže da univerzum mora biti onako kako ga posmatramo, jer inače ne bi bili ovde da ga posmatramo). Polja kao što su neuroznanost, evoluciona psihologija i genetika ponašanja i složenost pale su daleko od njihovog hype – a.
Neki naučnici, naročito filozof Tomas Nagel, toliko su malo impresionirani naukom da izazivaju njene osnovne pretpostavke. U svojoj novoj knjizi Mind i Cosmos: Zašto je materijalističko neo-darvinovo shvatanje prirode skoro svakako neistinito, Nagel tvrdi da sadašnje naučne teorije i metode ne mogu objasniti pojavu života uopšte i jednu bipedalnu, velikodušnu vrstu posebno. Da bi rješio ove probleme, Nagel tvrdi da nauka treba “značajnu konceptualnu revoluciju”, onako radikalnu kao što ju je izazvao heliocentrizam, evolucija i relativnost.
Mnogi stručnjaci koji pozivaju na takvu revoluciju predstavljaju neku vrstu religiozne agende, bilo hrišćanskog ili novog doba. Nagel je ateista, koji ne može prihvatiti Boga kao konačni odgovor, a ipak ponavlja neke teološke kritike nauke. “Fizično-hemijski redukcionizam”, piše on, ne može nam reći kako je materija postala animirana na Zemlji prije više od tri milijarde godina; niti može da utvrdi pojavu naših predaka u svjesti, razumu i moralnosti.
Evolucioni psiholozi pozivaju se na prirodnu selekciju da objasne izuzetne osobine čovječanstva, ali samo na retrospektivnom načinu, prema Nagelu. Prava teorija svega, on predlaže, trebalo bi objasni smisao izuzetne činjenice da se Univerzum “budi i postaje svjestan samog sebe”. Drugim riječima, teorija bi trebala pokazati da su život, um, moral i razum bili ne samo mogući, već i neizbježni, latentni u kosmosu od njegovog eksplozivnog nastanka. Nagel priznaje da nema pojma kakav bi oblik takva teorija trebalo da preduzme; njegov cilj je da istakne koliko je današnja nauka daleko od njenog postizanja.
Nagel priznaje da je njegov pokušaj zamišljanja ekspanzivnije naučne paradigme “previše nezanimljiv”. Mogao je da napravi ubjedljiviji rad ako bi se u širokom rasponu rasporedio na alternativu materijalističkim dogmama. Na primjer, teoretičar složenosti Stuart Kauffman je postulirao postojanje nove sile koja se suprotstavlja univerzalnom driftu prema poremećaju utvrđenom drugim zakonom termodinamike. Kauffman sumnja da bi ova antietropska sila mogla da dovede do pojave i evolucije života. Nagel pominje Kauffmanovu teoriju “samoorganizacije” u fusnoti, ali ne razrađuje to.
Prema fizičaru John Wheeler-u, kvantna mehanika podrazumijeva da naša opservacija stvarnosti utiče na njegovo odvijanje. Mi živimo u “participativnom Univerzumu”, predložio je Wheeler, u kojem je um fundamentalan kao materija. Filozof David Čalmers, Nagelov kolega na Univerzitetu u Njujorku, pretpostavlja da su “informacije”, koje proizilaze iz određenih fizičkih konfiguracija i procesa i podrazumijevaju svjest, osnovna komponenta realnosti, isto koliko i vrijeme, prostor, materija i energija.
Nagel se kratko bavi pitanjem slobodne volje, kada on predlaže da se naši moralni i estetski izbori ne mogu svesti na fizičke procese, ali sam očekivao dublje postupanje prema ovoj temi. Mnogi vodeći naučnici, od Francisa Crika do Hokinga, tvrde da je slobodna volja iluzija, koliko i Bog i duhovi.
Tamna materija, stvari za koje se pretpostavlja da čine oko četvrtinu Univerzuma za koju ne izgleda da je u interakciji sa svjetlošću, mogla bi imati malu električnu energiju, prema novoj studiji.
Do sada je tamna materija učinila svoje prisustvo poznatim samo kroz gravitaciju, utjecajem na zvjezde i galaksije. Ali sada, astrofizičari Julian Muñoz i Abraham Loeb sa Harvard univerziteta sugerišu da mali dio čestica tamne materije može imati malu električnu energiju – što znači da može da interaguje sa normalnom materijom putem elektromagnetske sile.
Ako je istina, ova ideja ne bi predstavljala samo veliki korak u razumjevanju tamne materije, već bi objasnila i skorašnju misteriju koja je zbunila kosmologe.
Neobično hlađenje
U februaru su astronomi najavili prvo otkrivanje neumoljivog signala iz gasova vodonika iz kosmičke zore, period od oko 180 miliona godina nakon Velikog praska kada su prve zvjezde počele da sijaju. U ovom trenutku plin vodonika koji pliva između zvjezda bio je hladniji od kosmičke mikrotalasne pozadine, preostalo zračenje iz Velikog praska.
Pošto je vodonik hladniji od ovog posljednjeg plamena, gas apsorbuje zračenje – posebno zračenje sa talasnom dužinom od 21 centimetara. Mjerenjem apsorpcije zračenja vodonikom, astronomi bolje razumiju kosmičku zoru, relativno nepoznatu eru kosmičke historije. Korišćenjem radio antene u zapadnoj Australiji nazvan je Eksperiment za otkrivanje globalne epohe signala reionizacije (EDGES), tim astronoma je prvi put mogao da detektuje ovu apsorpciju.
“To je sama po sebi nevjerovatno naučno otkriće “, rekao je Muñoz Live Live Science-u, ali više od toga, dodao je on, astronomi su otkrili da je vodonik apsorbovao dvostruko više fotona nego što se očekivalo.Ukoliko gas absorbuje toliko zračenja, to bi moralo biti još hladnije nego što su naučnici mislili.
Muñoz i Loeb su predložili da tamna materija može biti krivac za hlađenje. U članku objavljenom 30. maja u časopisu Priroda, otkrili su da ako je manje od 1 posto tamne materije imalo oko milionitog električnog naelektrisanja elektrona, onda bi ova neodoljiva materija mogla izvući toplotu iz vodonika – slično onom kako ledene kocke hlade limunadu. “Led, ovdje, je tamna materija”, rekao je Muñoz.
Njihova ideja nije sasvim nova. Prije nekoliko decenija, fizičari su predložili da čestice tamne materije mogu imati električni naboj.
I to nije jedino objašnjenje za ovo hlađenje. U martu 1 Papir u časopisu Nature, Rennan Barkana, kosmolog na Univerzitetu u Tel Avivu u Izraelu, predložio je da je to više opći oblik tamne materije, što ne mora nužno biti.
Oba prijedloga za tamnu materiju prave slične prognoze, rekla je Barkana, koja nije učestvovala u trenutnoj studiji.
“Ovo je vrijeme za oprezni optimizam i zadržavanje otvorenog uma, kako za radio opservaciju, tako i za tumačenje”, rekao je Barkana za Live Science.
Desetine ideja
Tamna materija je samo jedna od desetina ideja predloženih da objasne anomaliju. Na primjer, umjesto da je gas hladniji, pozadinsko zračenje može biti toplije nego što se očekivalo, a neki egzotični proces proizvodi više zračenja koje tek treba da se ispita. Ili, jednostavno može biti grešaka u analizi ili mjerenju.
Zaista, EDGES posmatranje je prvo takve vrste, iako je tim proveo dve godine provjere i dvostrukog pregleda analize, istraživačima će biti potrebno više podataka kako bi potvrdili zbunjujuće rezultate.
“Ako je EDGES tačan, mislim da ne postoji nikakvo konvencionalno objašnjenje koje je ubjedljivo”, rekao je Steven Furlanetto, astrofizičar na Kalifornijskom univerzitetu u Los Angelesu, koji nije učestvovao u studiji. “Stvarno morate da idete u jedan od ovih nestandardnih scenarija fizike, i u tom slučaju mislim da je široko otvoren.”
Muñoz je, međutim, delimičan objašnjenju tamne materije. “Ako je EDGES zaista u pravu, čini se vrlo teškim da ovo ne bude rezultat tamne materije”, rekao je.
Nekoliko instrumenata širom svijeta već se pripremaju za detaljnija zapažanja. Za razliku od EDGES-a, neki eksperimenti, poput radio-teleskopa u Južnoj Africi, koji se naziva Vodonična Epoha Reionizacionog Array-a (HERA), moći će da izmere kako se apsorpcija razlikuje. Ako je mali dio tamne materije električno napunjen, kako kažu Muñoz i Loeb, onda će u ovoj varijanti stvoriti poseban obrazac – pružajući ključni test za električno napunjenu tamnu materiju.
Magnet koji lebdi iznad supravodiča zbog Meissnerovog učinka (Walther Meissner).
Ukrašena kopija prvog tranzistora otkrivenog u tvrtci Bell Labs 23. prosinca 1947. kada su američki istraživači John Bardeen, Walter Houser Brattain i William Bradford Shockley konstruirali prvi germanijski bipolarni tranzistor.
U molekuli metana veze između atomaugljika i vodika su kovalentne.
Ako se kao primjese koriste atomi trovalentnih elemenata (na primjer bor), tada tri valentna elektrona sudjeluju u kovalentnoj vezi sa susjedna tri silicijeva atoma, a veza s četvrtim silicijevim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susjednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori.
Solarna ćelija ili fotonaponski članak izrađen od pločice monokristalnog silicija.
Elektroporculan kao izolator za visoke napone.
Prikaz fotoelektričnog učinka.
Svjetleće diode.
Model prvobitnog kompasa (sinan) iz dinastije Han (206 pr.Kr. – 220.) za koji se pretpostavlja da je napravljen od prirodnog magneta.
Suprafluidni helij koji se nalazi u gornjoj posudi će pomalo isticati iz nje, kap po kap, sve dok se ne isprazni.
Fizika čvrstog stanja je grana fizike koja proučava strukturu tvari u čvrstome stanju (krutine) te s pomoću kvantne fizike istražuje svojstva i procese u kristalnome i amorfnome obliku tvari, svojstva kristalizirane tvari i pojave vezane uz promjene fizikalnih veličina (primjerice temperature, tlaka, dimenzija i oblika mikrokristala, broja i vrste defekata u kristalnoj rešetki i drugo). Zakonitosti utvrđene za kristaliziranu tvar primjenjuju se djelomično i na amorfne krutine ili smjese kristalne i amorfne tvari te visokoviskozne tekućine (primjerice fotoosjetljiva stakla, krute polimere, keramiku i drugo). Mikroskopska teorija čvrstog stanja primjena je kvantne mehanike na čvrsto stanje. Njezini rezultati uspješno tumače kvalitativne razlike među različitim čvrstim tijelima, a u mnogim slučajevima omogućuju i kvantitativni pristup svojstvima tih tijela. Budući da je čvrsto stanje sustav od velikog broja atoma, teorija čvrstog stanja služi se nizom približenja (aproksimacija). Tako se pretpostavlja da se ponašanje atomskih jezgara i elektrona može opisivati nezavisno. Pri razmatranju gibanja jezgara ne uzima se u obzir gibanje elektrona, tj. atomi se promatraju kao cjeline. Takav je pristup opravdan za objašnjenje nekih mehaničkih i termodinamičkih svojstava koja potječu od međusobnoga elastičnoga vezivanja atoma. Razmatraju li se elektronska stanja, uzima se da atomske jezgre miruju. Ta je pretpostavka u znatnoj mjeri opravdana jer se u normalnim okolnostima elektroni gibaju znatno brže nego jezgre koje su mnogo veće mase od elektrona. Kako su za svojstva čvrstog stanja najvažniji valentni elektroni, promatraju se samo ti elektroni, a utjecaj elektrona u dubljim elektronskim ljuskama uzima se u obzir kroz njihov doprinos električnom polju oko jezgara. Pretpostavlja se da u prvom približenju (aproksimaciji) svaki valentni elektron može biti opisan vlastitom valnom funkcijom. Razvile su se dvije metode u opisivanju međudjelovanja (interakcije) valentnih elektrona: atomska aproksimacija i aproksimacija slobodnim elektronim
Atomsko približenje ili aproksimacija
U atomskoj aproksimaciji čvrsto tijelo promatra se kao agregat atoma koji su dovedeni na male udaljenosti jedni od drugih, ali su zadržali svoju punu individualnost. Valentni elektroni u toj aproksimaciji vezani su uz određene jezgre, a prema tome ona u osnovi opisuje stanje dielektrika, kao što su ionski kristali, ali i sva druga čvrsta tijela koja u nepobuđenom stanju nemaju vodljivih elektrona. Budući da se pretpostavlja gibanje valentnih elektrona po identičnim orbitama, njihovi se energetski spektri podudaraju. Model kojim se koristi atomska aproksimacija omogućava da se na osnovi poznatih elektrostatičkih sila među ionima u rešetki izračunaju energija veze ionskih kristala, mehanička i termodinamička svojstva i difuzija u ionskoj rešetki. Na osnovi tog modela dobro se opisuju i pobuđena stanja atoma u izolatoru. Izolator može apsorbirati svjetlost određene valne duljine, a da pritom ne postane fotovodljiv. No elektromagnetsko zračenje dovoljno velike energije (svakako konačne) oslobađa elektrone iz njihovih atomskih ili molekularnih orbitala na isti način kao pri ionizaciji atoma ili molekula. Tako se objašnjava fotovodljivost.
Izolator u čvrstom stanju može u kristalnoj rešetki sadržavati primjese stranih atoma ili neke druge defekte. Elektroni koji se nalaze uz defekte nisu vezani istim silama kao elektroni koji se nalaze uz regularne atome. Oni imaju drukčija pobuđena stanja i drukčije ionizacijske potencijale. Ako su ti ionizacijski potencijali niži nego ionizacijski potencijali elektrona u čistoj tvari, fotovodljivost supstancije koja sadrži primjese određena je u prvom redu prisutnim primjesama. Većina fotovodljivih čvrstih tvari koje se praktički upotrebljavaju tog su tipa. Ako je već toplinska energija dovoljna za oslobađanje elektrona primjesa, tvar se vlada kao poluvodič s primjesnom vodljivošću. Vladanje poluvodiča s vlastitom vodljivošću također se tumači na taj način: toplinske promjene (fluktuacije) na sobnoj temperaturi uzrokuju ionizaciju regularnih atoma rešetke.
Približenje ili aproksimacija slobodnim elektronima
U aproksimaciji slobodnim elektronima polazi se od pretpostavke da valentni elektroni u čvrstom stanju nisu lokalizirani uz pojedine atome, nego se gibaju po cijelome makroskopskom volumenu. Njihovo gibanje kroz periodički potencijal kristalne rešetke zapravo se sastoji od uzastopnih prolazaka kroz potencijalne barijere, pa ih za razliku od slobodnih elektrona u vakuumu treba karakterizirati efektivnom masom različitom od stvarne mase. Moguće energije tih elektrona tvore kvazikontinuirana područja, takozvane energetske zone, koje se tvore od velikog broja vrlo blizu raspoređenih energetskih nivoa. Energetske zone vuku podrijetlo od diskretnih nivoa individualnih atoma; kad se atomi približuju na razmak čvorova u kristalnoj rešetki, interakcije među atomima uzrokuju pomak i cijepanje energetskih nivoa elektrona, a također i njihovo širenje u zone, jer u kristalnoj rešetki s N jednakih i jednako raspoređenih atoma energetski su nivoi N puta degradirani. Zonama su obuhvaćena moguća energetska stanja elektrona; širina zona iznosi od 1 do 10 eV. Iznos energije u svakom stanju određen je svojstvima kristala: simetrijom rešetke, međuatomskm razmacima i prostornim rasporedom potencijala u elementarnoj ćeliji. Moguća stanja čine takozvane dopuštene zone, a energetski intervali među njima nazivaju se zabranjenim zonama. Raspored elektrona po nivoima u zonama određen je Fermi-Diracovom statistikom; u nepobuđenu stanju (na temperaturi bliskoj 0 K) elektroni popunjavaju sve nivoe niže od Fermijeva nivoa. Potpuno pune i potpuno prazne zone ne mogu sudjelovati u vodljivosti, nego se vanjskim poljem mogu ubrzavati samo elektroni iz djelomično ispunjenih zona. Ispunjene zone nazivaju se i valentnim zonama, a prazna zona iznad valentnih zona naziva se vodljivom zonom.
Zonska teorija čvrstog stanja
Zonska teorija čvrstog stanja daje zadovoljavajuća objašnjenja za širok raspon vodljivosti čvrstih tijela (od 108 S/m za metale do 10–17 S/m za dobre izolatore), fotovodljivost, utjecaj primjesa na vodljivost poluvodiča, mehanička, optička i djelomično toplinska i magnetska svojstva čvrstih tijela. Tijela kojima je Fermijev nivo u dopuštenoj zoni vodiči su, jer je kod njih najviša zona uvijek samo djelomično ispunjena, tj. ta tijela uvijek imaju vodljive elektrone; tijela kojima Fermijev nivo pada u zabranjenu zonu ili su izolatori ili poluvodiči.
Defekti kristalne rešetke uzrokuju pojavu lokalnih energetskih nivoa u zabranjenoj zoni. Ako se pri neutralnom stanju defekta na njihovu lokalnom nivou nalazi elektron, nivo se naziva donornim, a ako se elektron ne nalazi akceptornim. Zbog tolinskih gibanja donorni nivoi mogu davati elektrone u vodljivu zonu, a akceptorni nivoi primati elektrone iz valentne zone. Zato donorne primjese u poluvodičima uzrokuju elektronsku vodljivost, a akceptorne primjese šupljinsku vodljivost. Time se primjesna vodljivost razlikuje od vlastite vodljivosti, u kojoj sudjeluje uvijek isti broj elektrona i šupljina.
Primjena
Glavne pojave koje se ispituju u fizici čvrstog stanja promjene su vodljivosti u rasponu temperatura od apsolutne nule do tališta i usto vezani učinci ili efekti (vodljivost; supravodljivost; poluvodiči; izolator; fotoelektrični učinak; magnetizam; kondenzirana tvar).
Vodljivost
Vodljivost je fizikalna veličina koja opisuje utjecaj materijala na prijenos električnoga naboja, topline ili magnetskoga polja.
Električna vodljivost
Električna vodljivost (znak G) električnog vodiča od homogenoga materijala duljine l, ploštine poprječnoga presjeka S, dana je izrazom:
gdje je: γ – električna provodnost materijala; recipročna je vrijednost električnoga otpora; mjerna je jedinica simens (S).
Toplinska vodljivost
Toplinska vodljivost (znak G) opisuje prijenos topline kroz tvar vođenjem, količnik je toplinskoga toka (ɸ) kroz tvar i temperaturne razlike ΔT između dviju točaka:
recipročna je vrijednost toplinskoga otpora; mjerna je jedinica vat po kelvinu (W/K).
Magnetska vodljivost
Magnetska vodljivost (znak Λ) šipke ili žice, ploštine poprječnoga presjeka S i duljine l, dana je izrazom:
gdje je: μ – magnetska permeabilnost; recipročna je vrijednost reluktancije (magnetskoga otpora) magnetskoga kruga; mjerna je jedinica henri (H).
Supravodljivost
Supravodljivost je stanje pojedinih tvari koje se na niskim temperaturama očituje u nestanku njihova električnoga otpora, prolasku električne struje kroz tanku izolatorsku barijeru unutar njih bez električnoga otpora (Josephsonov učinak – Brian Josephson) i lebdenju magneta iznad njihove površine (Meissnerov učinak – Walther Meissner). Supravodljivost je kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fizikom. Tipično nastaje u nekim materijalima na jako niskim temperaturama (nižim od -200 °C).
Poluvodiči
Poluvodiči su materijali kojima je električna provodnost manja od provodnosti vodiča, a veća od provodnosti izolatora. Primjena poluvodiča u elektronici osniva se na mogućnosti promjene električne provodnosti u širokim granicama, bilo promjenom sastava materijala, bilo primjenom vanjskih utjecaja. Električna svojstva poluvodiča određuje njihova atomska struktura. Na temperaturi apsolutne nule (T = 0 K) valentni elektroni, elektroni s najvećim energijama u atomima poluvodiča, popunjavaju sve energije valentnoga pojasa elektronskih energijskih stanja i vezani su za matični atom.
S porastom temperature raste energija elektrona. U vodiču se valentni i vodljivi pojas preklapaju, pa je broj slobodnih elektrona koji vode električnu struju vrlo velik. U poluvodičima i izolatorima valentni i vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja odvojeni su zabranjenim pojasom s energijama koje elektroni ne mogu poprimiti. Oslobađaju se samo oni elektroni koji imaju dovoljno energije da preko zabranjenoga pojasa prijeđu u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Širina zabranjenoga pojasa u izolatorima toliko je velika da u vodljivom pojasu elektronskih energijskih stanja gotovo nema elektrona. Elektroni ostaju vezani za matične atome i u izolatorima nema nosilaca električne struju.
U poluvodičima je širina zabranjenoga pojasa elektronskih energijskih stanja manja. Na sobnoj temperaturi, vrlo mali, ali nezanemariv broj elektrona ima dovoljnu energiju da se oslobodi matičnog atoma i iz valentnoga preskoči u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Elektroni u vodljivom pojasu slobodno se gibaju unutar poluvodiča i mogu voditi električnu struju. U atomima koje su elektroni napustili nastaju praznine (nazivaju se šupljinama) koje mogu popunjavati elektroni susjednih atoma, ostavljajući pritom šupljine u atomima iz kojih dolaze, pa se šupljine gibaju kao pozitivno nabijeni elektroni. Uz kretanje slobodnih elektrona kroz materijal, uspostavlja se i kretanje elektrona preko šupljina. Niz prelazaka elektrona preko šupljina može se jednostavnije promatrati kao kretanje šupljina u suprotnome smjeru. Slobodni elektroni i šupljine zajedničkim se imenom nazivaju nositeljima naboja. U poluvodiču bez primjesa jednak je broj slobodnih elektrona i šupljina.
U elektronici silicij je najčešće korišteni poluvodički materijal. Atomi silicija imaju po 4 valentna elektrona. Vežu se međusobno u dijamantnu kristalnu strukturu, s rasporedom u kojem je svaki atom okružen s četiri susjedna atoma. Snažna kovalentna veza među atomima temelji se na stvaranju elektronskih parova, a pritom svaki atom dijeli svoje valentne elektrone s 4 susjedna atoma.
Čisti ili intrinsični poluvodiči
Čisti ili intrinsični poluvodiči sastoje se samo od atoma osnovnoga materijala, to jest samo od istovrsnih atoma. U takvu se poluvodiču elektroni i šupljine stvaraju u parovima, pa je koncentracija slobodnih elektrona u vodljivome pojasu jednaka koncentraciji šupljina u valentnome pojasu. Zbog toga je i električna provodnost čistoga silicija mala (σ = 1,56 mS/m) i graniči s električnom provodnošću izolatora. S porastom temperature, koncentracije nositelja električnoga naboja eksponencijalno rastu i električna se provodnost čistoga poluvodiča povećava. Nositelji električnog naboja mogu se u poluvodiču stvarati i apsorpcijom optičkog ili, općenitije, elektromagnetskog zračenja (fotogeneracija nositelja). Obrnuto, zarobljivanjem slobodnog elektrona u nepopunjenu valentnu vezu, to jest njegovim vraćanjem iz vodljivoga pojasa u valentni, oslobađa se energija zračenja. Ti se učinci koriste u pretvorbi električne u optičku energiju i obrnuto.
Primjesni ili ekstrinsični poluvodiči
Primjesni ili ekstrinsični poluvodiči nastaju dopiranjem, to jest dodavanjem primjesa željenih svojstava u čisti poluvodič. Primjese koje mijenjaju električnu provodnost atomi su elemenata s valencijom za jedan većom ili manjom od atoma poluvodiča. Za silicij su takve primjese atomi peterovalentnih ili trovalentnih elemenata. Ako se u strukturu čistoga poluvodiča ugrade atomi peterovalentnih elemenata (na primjer fosfora, arsena ili antimona), tada se njihova četiri valentna elektrona kovalentno vežu s elektronima četiriju susjednih silicijevih atoma. Peti valentni elektron slabo je vezan, na sobnoj se temperaturi oslobađa i ulazi u vodljivi pojas. Takvi peterovalentni atomi koji daju elektrone nazivaju se donori. Poluvodiči dopirani donorima imaju mnogo elektrona, kojima koncentracija n odgovara koncentraciji donora, a malo šupljina. Ako se, međutim, kao primjese koriste atomi trovalentnih elemenata (na primjer bor), tada tri valentna elektrona sudjeluju u kovalentnoj vezi sa susjedna tri silicijeva atoma, a veza s četvrtim silicijevim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susjednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori. Poluvodiči dopirani akceptorima imaju mnogo šupljina, kojima koncentracija p odgovara koncentraciji akceptora, a malo elektrona. Od dva moguća tipa slobodnih nositelja naboja (elektroni i šupljine), većinskim se naziva onaj nositelj kojega u poluvodiču ima više. Poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja elektroni nazivaju se poluvodičima n-tipa, a poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja šupljine poluvodičima p-tipa.
Silicij se kontrolirano dopira u širokim granicama, s koncentracijama primjesa od 1014 do 1021 atoma/cm3. Razmjerno koncentracijama primjesa, mijenja se i koncentracija većinskih nositelja. Posljedica je toga promjena električne provodnosti silicija od 102 do 106 S/m. Poput vodiča, primjesni se poluvodiči odlikuju negativnim temperaturnim koeficijentom električne provodnosti.
Elementarni poluvodički materijali
Elementarni poluvodički materijali su oni u kojima su svi atomi iste vrste, kao što su to elementi silicij i germanij. U početku je najzastupljeniji poluvodički materijal bio germanij a danas je u elektronici najčešći poluvodički materijal silicij, i to zbog svojega prikladnog temperaturnog područja, niske cijene, jednostavnosti i uvedenosti tehnoloških procesa te prihvatljivih radnih brzina. U siliciju se izrađuje najveći broj poluvodičkih elektroničkih elemenata, ali i najsloženiji integrirani krug. Najčešće se rabi u obliku monokristala, a katkad i kao polikristal (za izradbu elektroda pojedinih elemenata) te kao amorfni silicij (za izradbu sunčanih baterija).
Složeni poluvodički materijali
Složeni poluvodički materijali uglavnom su binarni, i to građeni od spojeva trovalentnih i peterovalentnih elemenata (takozvani III–V poluvodiči), odnosno dvovalentnih i šesterovalentnih elemenata (II–VI poluvodiči). Primjeri su prve vrste galijev arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP), indijev fosfid (InP) i indijev antimonid (InSb), a primjeri druge vrste kadmijev sulfid (CdS) i cinkov sulfid (ZnS). Često im se dodaje i malena količina trećeg elementa, čime nastaju ternarni poluvodički materijali, na primjer aluminij-galij-arsenid (AlxGa1–xAs). Pritom x označuje udjel u kojem, u galijevu arsenidu, aluminijevi atomi zamjenjuju galijeve atome. Galijev arsenid ponajviše se rabi za poluvodičke elemente velikih brzina. U tom se materijalu izvode i manje složeni, ali vrlo brzi integrirani krugovi. Uz ostale složene poluvodičke materijale, služi i za izradbu fotoelektroničkih elemenata.
Izolatori
Izolator (njem. isolator < franc. isolateur < tal. isolatore) je tvar ili predmet koji sprječava ili bitno smanjuje dodir, protok, povezivanje, utjecaj ili fizikalno djelovanje. U elektrotehnici, konstrukcijski element električnih vodova te energetskih i telekomunikacijskih postrojenja, koji nosi i učvršćuje električne vodiče a ujedno ih električki izolira od ostalih dijelova konstrukcije. Izvedbe izolatora normizirane su, s propisanim dimenzijama i svojstvima. Za energetske električne vodove i postrojenja izolator mora odgovarati određenim tehničkim zahtjevima s obzirom na mehaničku čvrstoću, čvrstoću na električni proboj i preskok, toplinsku otpornost (radi moguće pojave električnoga luka), postojanost prema utjecaju okoline (u prvom redu vlage). Za izradbu izolatora najčešće se upotrebljava porculan određenih kvaliteta (elektroporculan), kaljeno staklo i keramički materijali (na primjer steatit).
Fotoelektrični učinak
Fotoelektrični učinak ili fotoefekt je djelovanje elektromagnetskih valova (infracrvenih, svjetlosnih, ultraljubičastih, rendgenskoga i gama-zračenja) na električki nabijene čestice u materiji; predaja dijela ili sveukupne energije fotona (čestica elektromagnetskoga zračenja) elektronima, protonima ili drugim česticama; pojave koje su posljedica primarnih procesa apsorpcije fotona (fotovodljivost, fotovoltni učinak, fotoluminiscencija, fotokemijski učinak i drugi).
Upijanje ili apsorpcija energije elektromagnetskoga zračenja u materiji teče najčešće putem međudjelovanja s elektronima zbog njihove male mase. Fotoelektrični učinak je proces izbacivanja elektrona iz stacionarnih stanja u atomu, molekuli, metalu ili drugome sustavu (vanjski fotoefekt). U tom je procesu foton potpuno apsorbiran, a njegova energija (hν) utrošena na savladavanje potencijalne energije vezanja elektrona (B) i na kinetičku energiju elektrona (E), prema jednakosti koju je izveo Albert Einstein 1905.:
U Comptonovu učinku (Arthur Holly Compton) foton u sudaru predaje dio energije elektronu i odlazi kao sekundarni foton manje energije. U širem smislu tvorba parova, proces stvaranja para elektron – pozitron prilikom međudjelovanja (interakcije) fotona s atomskom jezgrom također se smatra fotoelektričnim učinkom. Ovi procesi zbivaju se i s protonima i drugim česticama u interakcijama fotona s atomskim jezgrama (takozvani nuklearni fotoefekt). Apsorpcija fotona u nekoj tvari putem primarnih procesa ima za posljedicu različite sekundarne pojave.
Fotovodljivost
Fotovodljivost je smanjenje električnoga otpora izolatora ili poluvodiča kada su obasjani svjetlošću. Na primjer selenij i kadmijev sulfid (CdS) koriste se za mjerenje osvjetljenja mijenjanjem električnoga otpora. Fotovoltni učinak je proces pretvorbe (transformacije) energije fotona u električnu energiju. Kada se u prijelaznom području dviju sredina (metal – poluvodič, metal – elektrolit, n poluvodič – p poluvodič) apsorbiraju fotoni, elektroni budu prebačeni u više stanje energije (unutrašnji fotoefekt) pa se taj višak energije dobiva u obliku električne struje (fotoćelije, selenske ćelije, fotovoltni svjetlomjeri i drugo).
Fotoluminiscencija
Fotoluminiscencija je proces apsorpcije fotona s pobuđivanjem elektronskih stanja, koja sa zakašnjenjem emitiraju fotone druge valne dužine (luminiscencija). Demberov učinak je fotoelektrični učinak u kristalima kada se upijanjem (apsorpcijom) svjetlosti u kristalu mijenja koncentracija slobodnih elektrona uzduž puta svjetlosne zrake. Becquerelov učinak je fotoelektrični učinak kod osvijetljenih elektroda uronjenih u elektrolit.
Primjena fotoelektričnog učinka
Fotoelektrični učinak koristi se u mnoge praktične svrhe, na primjer u vakuumskim ili plinskim fotoćelijama, fotootpornim ćelijama, fotodiodama, fototranzistorima i za izravno pretvaranje Sunčeve energije u električnu.
Magnetizam
Magnetizam (prema magnetu koje dolazi od lat. magnes, genitiv magnetis < grč. Μαγνῆτıς λίϑος: kamen iz Magnezije) je skup pojava povezanih s magnetskim poljem i s ponašanjem tvari u magnetskom polju. Magnetska svojstva tvari potječu od magnetskih momenta atoma i njihovih međudjelovanja koja mogu stvoriti kolektivno magnetsko uređenje. Magnetizam atoma posljedica je magnetizma elektrona i atomske jezgre i njihovih međudjelovanja. Razlikuje se orbitalni magnetski moment, zbog gibanja elektrona oko atomske jezgre, i spinski magnetski moment, kao vlastito kvantnomehaničko svojstvo elektrona i jezgre. S obzirom na ponašanje u magnetskom polju, sve se tvari odlikuju svojom magnetskom permeabilnošću. Tako se mogu razlikovati dijamagnetične, paramagnetične, feromagnetične, ferimagnetične i antiferomagnetične tvari.
Kondenzirana tvar
Kondenzirana tvar je tvar nastala kondenzacijom, tvar u kojoj atomi i molekule snažno uzajamno djeluju te se može nalaziti u tekućem ili čvrstom agregatnom stanju, a na iznimno niskim temperaturama u supravodljivoj ili suprafluidnoj fazi. Problemima i teorijom nastajanja kondenzata bavi se fizika kondenzirane tvari, unutar koje se proučavaju neka svojstva tekućina, na primjer prijelazi faza proces naparivanja i svojstva tankih slojeva, epitaksijalni rast kristala i posebno svojstva klastera atoma i molekula i niskotemperaturna fizika. Temelje te grane fizike postavio je 1916. njemački fizičar Wilhelm Nusselt (1882. – 1957.) svojom teorijom filmske kondenzacije, koju su u potpunosti potvrdili potonji pokusi. Danas se fizika kondenzirane tvari snažno razvija pa se izdvaja kao posebna grana fizike, iako je bitno vezana uz druge grane, osobito termodinamiku i fiziku čvrstog stanja.
Izvori
fizika čvrstog stanja, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
vodljivost, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
supravodljivost, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
poluvodiči, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
izolator, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
Magnet koji lebdi iznad supravodiča zbog Meissnerovog učinka (Walther Meissner).
Ukrašena kopija prvog tranzistora otkrivenog u tvrtci Bell Labs 23. prosinca 1947. kada su američki istraživači John Bardeen, Walter Houser Brattain i William Bradford Shockley konstruirali prvi germanijski bipolarni tranzistor.
U molekuli metana veze između atomaugljika i vodika su kovalentne.
Ako se kao primjese koriste atomi trovalentnih elemenata (na primjer bor), tada tri valentna elektrona sudjeluju u kovalentnoj vezi sa susjedna tri silicijeva atoma, a veza s četvrtim silicijevim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susjednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori.
Solarna ćelija ili fotonaponski članak izrađen od pločice monokristalnog silicija.
Elektroporculan kao izolator za visoke napone.
Prikaz fotoelektričnog učinka.
Svjetleće diode.
Model prvobitnog kompasa (sinan) iz dinastije Han (206 pr.Kr. – 220.) za koji se pretpostavlja da je napravljen od prirodnog magneta.
Suprafluidni helij koji se nalazi u gornjoj posudi će pomalo isticati iz nje, kap po kap, sve dok se ne isprazni.
Fizika čvrstog stanja je grana fizike koja proučava strukturu tvari u čvrstome stanju (krutine) te s pomoću kvantne fizike istražuje svojstva i procese u kristalnome i amorfnome obliku tvari, svojstva kristalizirane tvari i pojave vezane uz promjene fizikalnih veličina (primjerice temperature, tlaka, dimenzija i oblika mikrokristala, broja i vrste defekata u kristalnoj rešetki i drugo). Zakonitosti utvrđene za kristaliziranu tvar primjenjuju se djelomično i na amorfne krutine ili smjese kristalne i amorfne tvari te visokoviskozne tekućine (primjerice fotoosjetljiva stakla, krute polimere, keramiku i drugo). Mikroskopska teorija čvrstog stanja primjena je kvantne mehanike na čvrsto stanje. Njezini rezultati uspješno tumače kvalitativne razlike među različitim čvrstim tijelima, a u mnogim slučajevima omogućuju i kvantitativni pristup svojstvima tih tijela. Budući da je čvrsto stanje sustav od velikog broja atoma, teorija čvrstog stanja služi se nizom približenja (aproksimacija). Tako se pretpostavlja da se ponašanje atomskih jezgara i elektrona može opisivati nezavisno. Pri razmatranju gibanja jezgara ne uzima se u obzir gibanje elektrona, tj. atomi se promatraju kao cjeline. Takav je pristup opravdan za objašnjenje nekih mehaničkih i termodinamičkih svojstava koja potječu od međusobnoga elastičnoga vezivanja atoma. Razmatraju li se elektronska stanja, uzima se da atomske jezgre miruju. Ta je pretpostavka u znatnoj mjeri opravdana jer se u normalnim okolnostima elektroni gibaju znatno brže nego jezgre koje su mnogo veće mase od elektrona. Kako su za svojstva čvrstog stanja najvažniji valentni elektroni, promatraju se samo ti elektroni, a utjecaj elektrona u dubljim elektronskim ljuskama uzima se u obzir kroz njihov doprinos električnom polju oko jezgara. Pretpostavlja se da u prvom približenju (aproksimaciji) svaki valentni elektron može biti opisan vlastitom valnom funkcijom. Razvile su se dvije metode u opisivanju međudjelovanja (interakcije) valentnih elektrona: atomska aproksimacija i aproksimacija slobodnim elektronim
Atomsko približenje ili aproksimacija
U atomskoj aproksimaciji čvrsto tijelo promatra se kao agregat atoma koji su dovedeni na male udaljenosti jedni od drugih, ali su zadržali svoju punu individualnost. Valentni elektroni u toj aproksimaciji vezani su uz određene jezgre, a prema tome ona u osnovi opisuje stanje dielektrika, kao što su ionski kristali, ali i sva druga čvrsta tijela koja u nepobuđenom stanju nemaju vodljivih elektrona. Budući da se pretpostavlja gibanje valentnih elektrona po identičnim orbitama, njihovi se energetski spektri podudaraju. Model kojim se koristi atomska aproksimacija omogućava da se na osnovi poznatih elektrostatičkih sila među ionima u rešetki izračunaju energija veze ionskih kristala, mehanička i termodinamička svojstva i difuzija u ionskoj rešetki. Na osnovi tog modela dobro se opisuju i pobuđena stanja atoma u izolatoru. Izolator može apsorbirati svjetlost određene valne duljine, a da pritom ne postane fotovodljiv. No elektromagnetsko zračenje dovoljno velike energije (svakako konačne) oslobađa elektrone iz njihovih atomskih ili molekularnih orbitala na isti način kao pri ionizaciji atoma ili molekula. Tako se objašnjava fotovodljivost.
Izolator u čvrstom stanju može u kristalnoj rešetki sadržavati primjese stranih atoma ili neke druge defekte. Elektroni koji se nalaze uz defekte nisu vezani istim silama kao elektroni koji se nalaze uz regularne atome. Oni imaju drukčija pobuđena stanja i drukčije ionizacijske potencijale. Ako su ti ionizacijski potencijali niži nego ionizacijski potencijali elektrona u čistoj tvari, fotovodljivost supstancije koja sadrži primjese određena je u prvom redu prisutnim primjesama. Većina fotovodljivih čvrstih tvari koje se praktički upotrebljavaju tog su tipa. Ako je već toplinska energija dovoljna za oslobađanje elektrona primjesa, tvar se vlada kao poluvodič s primjesnom vodljivošću. Vladanje poluvodiča s vlastitom vodljivošću također se tumači na taj način: toplinske promjene (fluktuacije) na sobnoj temperaturi uzrokuju ionizaciju regularnih atoma rešetke.
Približenje ili aproksimacija slobodnim elektronima
U aproksimaciji slobodnim elektronima polazi se od pretpostavke da valentni elektroni u čvrstom stanju nisu lokalizirani uz pojedine atome, nego se gibaju po cijelome makroskopskom volumenu. Njihovo gibanje kroz periodički potencijal kristalne rešetke zapravo se sastoji od uzastopnih prolazaka kroz potencijalne barijere, pa ih za razliku od slobodnih elektrona u vakuumu treba karakterizirati efektivnom masom različitom od stvarne mase. Moguće energije tih elektrona tvore kvazikontinuirana područja, takozvane energetske zone, koje se tvore od velikog broja vrlo blizu raspoređenih energetskih nivoa. Energetske zone vuku podrijetlo od diskretnih nivoa individualnih atoma; kad se atomi približuju na razmak čvorova u kristalnoj rešetki, interakcije među atomima uzrokuju pomak i cijepanje energetskih nivoa elektrona, a također i njihovo širenje u zone, jer u kristalnoj rešetki s N jednakih i jednako raspoređenih atoma energetski su nivoi N puta degradirani. Zonama su obuhvaćena moguća energetska stanja elektrona; širina zona iznosi od 1 do 10 eV. Iznos energije u svakom stanju određen je svojstvima kristala: simetrijom rešetke, međuatomskm razmacima i prostornim rasporedom potencijala u elementarnoj ćeliji. Moguća stanja čine takozvane dopuštene zone, a energetski intervali među njima nazivaju se zabranjenim zonama. Raspored elektrona po nivoima u zonama određen je Fermi-Diracovom statistikom; u nepobuđenu stanju (na temperaturi bliskoj 0 K) elektroni popunjavaju sve nivoe niže od Fermijeva nivoa. Potpuno pune i potpuno prazne zone ne mogu sudjelovati u vodljivosti, nego se vanjskim poljem mogu ubrzavati samo elektroni iz djelomično ispunjenih zona. Ispunjene zone nazivaju se i valentnim zonama, a prazna zona iznad valentnih zona naziva se vodljivom zonom.
Zonska teorija čvrstog stanja
Zonska teorija čvrstog stanja daje zadovoljavajuća objašnjenja za širok raspon vodljivosti čvrstih tijela (od 108 S/m za metale do 10–17 S/m za dobre izolatore), fotovodljivost, utjecaj primjesa na vodljivost poluvodiča, mehanička, optička i djelomično toplinska i magnetska svojstva čvrstih tijela. Tijela kojima je Fermijev nivo u dopuštenoj zoni vodiči su, jer je kod njih najviša zona uvijek samo djelomično ispunjena, tj. ta tijela uvijek imaju vodljive elektrone; tijela kojima Fermijev nivo pada u zabranjenu zonu ili su izolatori ili poluvodiči.
Defekti kristalne rešetke uzrokuju pojavu lokalnih energetskih nivoa u zabranjenoj zoni. Ako se pri neutralnom stanju defekta na njihovu lokalnom nivou nalazi elektron, nivo se naziva donornim, a ako se elektron ne nalazi akceptornim. Zbog tolinskih gibanja donorni nivoi mogu davati elektrone u vodljivu zonu, a akceptorni nivoi primati elektrone iz valentne zone. Zato donorne primjese u poluvodičima uzrokuju elektronsku vodljivost, a akceptorne primjese šupljinsku vodljivost. Time se primjesna vodljivost razlikuje od vlastite vodljivosti, u kojoj sudjeluje uvijek isti broj elektrona i šupljina.
Primjena
Glavne pojave koje se ispituju u fizici čvrstog stanja promjene su vodljivosti u rasponu temperatura od apsolutne nule do tališta i usto vezani učinci ili efekti (vodljivost; supravodljivost; poluvodiči; izolator; fotoelektrični učinak; magnetizam; kondenzirana tvar).
Vodljivost
Vodljivost je fizikalna veličina koja opisuje utjecaj materijala na prijenos električnoga naboja, topline ili magnetskoga polja.
Električna vodljivost
Električna vodljivost (znak G) električnog vodiča od homogenoga materijala duljine l, ploštine poprječnoga presjeka S, dana je izrazom:
gdje je: γ – električna provodnost materijala; recipročna je vrijednost električnoga otpora; mjerna je jedinica simens (S).
Toplinska vodljivost
Toplinska vodljivost (znak G) opisuje prijenos topline kroz tvar vođenjem, količnik je toplinskoga toka (ɸ) kroz tvar i temperaturne razlike ΔT između dviju točaka:
recipročna je vrijednost toplinskoga otpora; mjerna je jedinica vat po kelvinu (W/K).
Magnetska vodljivost
Magnetska vodljivost (znak Λ) šipke ili žice, ploštine poprječnoga presjeka S i duljine l, dana je izrazom:
gdje je: μ – magnetska permeabilnost; recipročna je vrijednost reluktancije (magnetskoga otpora) magnetskoga kruga; mjerna je jedinica henri (H).
Supravodljivost
Supravodljivost je stanje pojedinih tvari koje se na niskim temperaturama očituje u nestanku njihova električnoga otpora, prolasku električne struje kroz tanku izolatorsku barijeru unutar njih bez električnoga otpora (Josephsonov učinak – Brian Josephson) i lebdenju magneta iznad njihove površine (Meissnerov učinak – Walther Meissner). Supravodljivost je kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fizikom. Tipično nastaje u nekim materijalima na jako niskim temperaturama (nižim od -200 °C).
Poluvodiči
Poluvodiči su materijali kojima je električna provodnost manja od provodnosti vodiča, a veća od provodnosti izolatora. Primjena poluvodiča u elektronici osniva se na mogućnosti promjene električne provodnosti u širokim granicama, bilo promjenom sastava materijala, bilo primjenom vanjskih utjecaja. Električna svojstva poluvodiča određuje njihova atomska struktura. Na temperaturi apsolutne nule (T = 0 K) valentni elektroni, elektroni s najvećim energijama u atomima poluvodiča, popunjavaju sve energije valentnoga pojasa elektronskih energijskih stanja i vezani su za matični atom.
S porastom temperature raste energija elektrona. U vodiču se valentni i vodljivi pojas preklapaju, pa je broj slobodnih elektrona koji vode električnu struju vrlo velik. U poluvodičima i izolatorima valentni i vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja odvojeni su zabranjenim pojasom s energijama koje elektroni ne mogu poprimiti. Oslobađaju se samo oni elektroni koji imaju dovoljno energije da preko zabranjenoga pojasa prijeđu u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Širina zabranjenoga pojasa u izolatorima toliko je velika da u vodljivom pojasu elektronskih energijskih stanja gotovo nema elektrona. Elektroni ostaju vezani za matične atome i u izolatorima nema nosilaca električne struju.
U poluvodičima je širina zabranjenoga pojasa elektronskih energijskih stanja manja. Na sobnoj temperaturi, vrlo mali, ali nezanemariv broj elektrona ima dovoljnu energiju da se oslobodi matičnog atoma i iz valentnoga preskoči u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Elektroni u vodljivom pojasu slobodno se gibaju unutar poluvodiča i mogu voditi električnu struju. U atomima koje su elektroni napustili nastaju praznine (nazivaju se šupljinama) koje mogu popunjavati elektroni susjednih atoma, ostavljajući pritom šupljine u atomima iz kojih dolaze, pa se šupljine gibaju kao pozitivno nabijeni elektroni. Uz kretanje slobodnih elektrona kroz materijal, uspostavlja se i kretanje elektrona preko šupljina. Niz prelazaka elektrona preko šupljina može se jednostavnije promatrati kao kretanje šupljina u suprotnome smjeru. Slobodni elektroni i šupljine zajedničkim se imenom nazivaju nositeljima naboja. U poluvodiču bez primjesa jednak je broj slobodnih elektrona i šupljina.
U elektronici silicij je najčešće korišteni poluvodički materijal. Atomi silicija imaju po 4 valentna elektrona. Vežu se međusobno u dijamantnu kristalnu strukturu, s rasporedom u kojem je svaki atom okružen s četiri susjedna atoma. Snažna kovalentna veza među atomima temelji se na stvaranju elektronskih parova, a pritom svaki atom dijeli svoje valentne elektrone s 4 susjedna atoma.
Čisti ili intrinsični poluvodiči
Čisti ili intrinsični poluvodiči sastoje se samo od atoma osnovnoga materijala, to jest samo od istovrsnih atoma. U takvu se poluvodiču elektroni i šupljine stvaraju u parovima, pa je koncentracija slobodnih elektrona u vodljivome pojasu jednaka koncentraciji šupljina u valentnome pojasu. Zbog toga je i električna provodnost čistoga silicija mala (σ = 1,56 mS/m) i graniči s električnom provodnošću izolatora. S porastom temperature, koncentracije nositelja električnoga naboja eksponencijalno rastu i električna se provodnost čistoga poluvodiča povećava. Nositelji električnog naboja mogu se u poluvodiču stvarati i apsorpcijom optičkog ili, općenitije, elektromagnetskog zračenja (fotogeneracija nositelja). Obrnuto, zarobljivanjem slobodnog elektrona u nepopunjenu valentnu vezu, to jest njegovim vraćanjem iz vodljivoga pojasa u valentni, oslobađa se energija zračenja. Ti se učinci koriste u pretvorbi električne u optičku energiju i obrnuto.
Primjesni ili ekstrinsični poluvodiči
Primjesni ili ekstrinsični poluvodiči nastaju dopiranjem, to jest dodavanjem primjesa željenih svojstava u čisti poluvodič. Primjese koje mijenjaju električnu provodnost atomi su elemenata s valencijom za jedan većom ili manjom od atoma poluvodiča. Za silicij su takve primjese atomi peterovalentnih ili trovalentnih elemenata. Ako se u strukturu čistoga poluvodiča ugrade atomi peterovalentnih elemenata (na primjer fosfora, arsena ili antimona), tada se njihova četiri valentna elektrona kovalentno vežu s elektronima četiriju susjednih silicijevih atoma. Peti valentni elektron slabo je vezan, na sobnoj se temperaturi oslobađa i ulazi u vodljivi pojas. Takvi peterovalentni atomi koji daju elektrone nazivaju se donori. Poluvodiči dopirani donorima imaju mnogo elektrona, kojima koncentracija n odgovara koncentraciji donora, a malo šupljina. Ako se, međutim, kao primjese koriste atomi trovalentnih elemenata (na primjer bor), tada tri valentna elektrona sudjeluju u kovalentnoj vezi sa susjedna tri silicijeva atoma, a veza s četvrtim silicijevim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susjednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori. Poluvodiči dopirani akceptorima imaju mnogo šupljina, kojima koncentracija p odgovara koncentraciji akceptora, a malo elektrona. Od dva moguća tipa slobodnih nositelja naboja (elektroni i šupljine), većinskim se naziva onaj nositelj kojega u poluvodiču ima više. Poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja elektroni nazivaju se poluvodičima n-tipa, a poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja šupljine poluvodičima p-tipa.
Silicij se kontrolirano dopira u širokim granicama, s koncentracijama primjesa od 1014 do 1021 atoma/cm3. Razmjerno koncentracijama primjesa, mijenja se i koncentracija većinskih nositelja. Posljedica je toga promjena električne provodnosti silicija od 102 do 106 S/m. Poput vodiča, primjesni se poluvodiči odlikuju negativnim temperaturnim koeficijentom električne provodnosti.
Elementarni poluvodički materijali
Elementarni poluvodički materijali su oni u kojima su svi atomi iste vrste, kao što su to elementi silicij i germanij. U početku je najzastupljeniji poluvodički materijal bio germanij a danas je u elektronici najčešći poluvodički materijal silicij, i to zbog svojega prikladnog temperaturnog područja, niske cijene, jednostavnosti i uvedenosti tehnoloških procesa te prihvatljivih radnih brzina. U siliciju se izrađuje najveći broj poluvodičkih elektroničkih elemenata, ali i najsloženiji integrirani krug. Najčešće se rabi u obliku monokristala, a katkad i kao polikristal (za izradbu elektroda pojedinih elemenata) te kao amorfni silicij (za izradbu sunčanih baterija).
Složeni poluvodički materijali
Složeni poluvodički materijali uglavnom su binarni, i to građeni od spojeva trovalentnih i peterovalentnih elemenata (takozvani III–V poluvodiči), odnosno dvovalentnih i šesterovalentnih elemenata (II–VI poluvodiči). Primjeri su prve vrste galijev arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP), indijev fosfid (InP) i indijev antimonid (InSb), a primjeri druge vrste kadmijev sulfid (CdS) i cinkov sulfid (ZnS). Često im se dodaje i malena količina trećeg elementa, čime nastaju ternarni poluvodički materijali, na primjer aluminij-galij-arsenid (AlxGa1–xAs). Pritom x označuje udjel u kojem, u galijevu arsenidu, aluminijevi atomi zamjenjuju galijeve atome. Galijev arsenid ponajviše se rabi za poluvodičke elemente velikih brzina. U tom se materijalu izvode i manje složeni, ali vrlo brzi integrirani krugovi. Uz ostale složene poluvodičke materijale, služi i za izradbu fotoelektroničkih elemenata.
Izolatori
Izolator (njem. isolator < franc. isolateur < tal. isolatore) je tvar ili predmet koji sprječava ili bitno smanjuje dodir, protok, povezivanje, utjecaj ili fizikalno djelovanje. U elektrotehnici, konstrukcijski element električnih vodova te energetskih i telekomunikacijskih postrojenja, koji nosi i učvršćuje električne vodiče a ujedno ih električki izolira od ostalih dijelova konstrukcije. Izvedbe izolatora normizirane su, s propisanim dimenzijama i svojstvima. Za energetske električne vodove i postrojenja izolator mora odgovarati određenim tehničkim zahtjevima s obzirom na mehaničku čvrstoću, čvrstoću na električni proboj i preskok, toplinsku otpornost (radi moguće pojave električnoga luka), postojanost prema utjecaju okoline (u prvom redu vlage). Za izradbu izolatora najčešće se upotrebljava porculan određenih kvaliteta (elektroporculan), kaljeno staklo i keramički materijali (na primjer steatit).
Fotoelektrični učinak
Fotoelektrični učinak ili fotoefekt je djelovanje elektromagnetskih valova (infracrvenih, svjetlosnih, ultraljubičastih, rendgenskoga i gama-zračenja) na električki nabijene čestice u materiji; predaja dijela ili sveukupne energije fotona (čestica elektromagnetskoga zračenja) elektronima, protonima ili drugim česticama; pojave koje su posljedica primarnih procesa apsorpcije fotona (fotovodljivost, fotovoltni učinak, fotoluminiscencija, fotokemijski učinak i drugi).
Upijanje ili apsorpcija energije elektromagnetskoga zračenja u materiji teče najčešće putem međudjelovanja s elektronima zbog njihove male mase. Fotoelektrični učinak je proces izbacivanja elektrona iz stacionarnih stanja u atomu, molekuli, metalu ili drugome sustavu (vanjski fotoefekt). U tom je procesu foton potpuno apsorbiran, a njegova energija (hν) utrošena na savladavanje potencijalne energije vezanja elektrona (B) i na kinetičku energiju elektrona (E), prema jednakosti koju je izveo Albert Einstein 1905.:
U Comptonovu učinku (Arthur Holly Compton) foton u sudaru predaje dio energije elektronu i odlazi kao sekundarni foton manje energije. U širem smislu tvorba parova, proces stvaranja para elektron – pozitron prilikom međudjelovanja (interakcije) fotona s atomskom jezgrom također se smatra fotoelektričnim učinkom. Ovi procesi zbivaju se i s protonima i drugim česticama u interakcijama fotona s atomskim jezgrama (takozvani nuklearni fotoefekt). Apsorpcija fotona u nekoj tvari putem primarnih procesa ima za posljedicu različite sekundarne pojave.
Fotovodljivost
Fotovodljivost je smanjenje električnoga otpora izolatora ili poluvodiča kada su obasjani svjetlošću. Na primjer selenij i kadmijev sulfid (CdS) koriste se za mjerenje osvjetljenja mijenjanjem električnoga otpora. Fotovoltni učinak je proces pretvorbe (transformacije) energije fotona u električnu energiju. Kada se u prijelaznom području dviju sredina (metal – poluvodič, metal – elektrolit, n poluvodič – p poluvodič) apsorbiraju fotoni, elektroni budu prebačeni u više stanje energije (unutrašnji fotoefekt) pa se taj višak energije dobiva u obliku električne struje (fotoćelije, selenske ćelije, fotovoltni svjetlomjeri i drugo).
Fotoluminiscencija
Fotoluminiscencija je proces apsorpcije fotona s pobuđivanjem elektronskih stanja, koja sa zakašnjenjem emitiraju fotone druge valne dužine (luminiscencija). Demberov učinak je fotoelektrični učinak u kristalima kada se upijanjem (apsorpcijom) svjetlosti u kristalu mijenja koncentracija slobodnih elektrona uzduž puta svjetlosne zrake. Becquerelov učinak je fotoelektrični učinak kod osvijetljenih elektroda uronjenih u elektrolit.
Primjena fotoelektričnog učinka
Fotoelektrični učinak koristi se u mnoge praktične svrhe, na primjer u vakuumskim ili plinskim fotoćelijama, fotootpornim ćelijama, fotodiodama, fototranzistorima i za izravno pretvaranje Sunčeve energije u električnu.
Magnetizam
Magnetizam (prema magnetu koje dolazi od lat. magnes, genitiv magnetis < grč. Μαγνῆτıς λίϑος: kamen iz Magnezije) je skup pojava povezanih s magnetskim poljem i s ponašanjem tvari u magnetskom polju. Magnetska svojstva tvari potječu od magnetskih momenta atoma i njihovih međudjelovanja koja mogu stvoriti kolektivno magnetsko uređenje. Magnetizam atoma posljedica je magnetizma elektrona i atomske jezgre i njihovih međudjelovanja. Razlikuje se orbitalni magnetski moment, zbog gibanja elektrona oko atomske jezgre, i spinski magnetski moment, kao vlastito kvantnomehaničko svojstvo elektrona i jezgre. S obzirom na ponašanje u magnetskom polju, sve se tvari odlikuju svojom magnetskom permeabilnošću. Tako se mogu razlikovati dijamagnetične, paramagnetične, feromagnetične, ferimagnetične i antiferomagnetične tvari.
Kondenzirana tvar
Kondenzirana tvar je tvar nastala kondenzacijom, tvar u kojoj atomi i molekule snažno uzajamno djeluju te se može nalaziti u tekućem ili čvrstom agregatnom stanju, a na iznimno niskim temperaturama u supravodljivoj ili suprafluidnoj fazi. Problemima i teorijom nastajanja kondenzata bavi se fizika kondenzirane tvari, unutar koje se proučavaju neka svojstva tekućina, na primjer prijelazi faza proces naparivanja i svojstva tankih slojeva, epitaksijalni rast kristala i posebno svojstva klastera atoma i molekula i niskotemperaturna fizika. Temelje te grane fizike postavio je 1916. njemački fizičar Wilhelm Nusselt (1882. – 1957.) svojom teorijom filmske kondenzacije, koju su u potpunosti potvrdili potonji pokusi. Danas se fizika kondenzirane tvari snažno razvija pa se izdvaja kao posebna grana fizike, iako je bitno vezana uz druge grane, osobito termodinamiku i fiziku čvrstog stanja.
Izvori
fizika čvrstog stanja, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
vodljivost, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
supravodljivost, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
poluvodiči, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
izolator, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
