Enerji Bandı
Atomlar (d) arasında belirli bir mesafede, iki üst bant, değerlik bandı ve iletim bandı arasında elektronların bulunamayacağı bir enerji aralığı olduğu açıktır. Enerji aralığı, bir yarı iletkenin bant aralığı, örneğin, olarak adlandırılır. Ayrıca, T = 0K olduğunda, hiçbir bağ kırılmadığından, dış iletim bandındaki enerji seviyelerinin hiçbiri işgal edilmeyecektir.
Ancak valans bandında, mevcut tüm enerji seviyeleri doludur. Bu, harici bir elektrik alanından hiçbir enerjinin emilemeyeceği, yani elektrik akımının akamayacağı anlamına gelir. Yarı iletken daha sonra bir yalıtkandır. Sadece daha yüksek sıcaklıklarda iletkenlik gösterir, çünkü o zaman bazı elektronlar iletim bandındaki enerji seviyelerini işgal eder.
İki dış enerji bandı arasında bir enerji aralığı olan bu bant yapısı yalıtkanlarda da oluşur. Yarı iletkenler ve yalıtkanlar yalnızca bant aralığının boyutunda farklılık gösterir. Bir yarı iletkende, "normal sıcaklıklarda" bile (örneğin, oda sıcaklığında) bazı elektronlar bant aralığını atlayarak elektriksel iletkenliğe yol açabilir.
Yalıtkanlarda, bant mesafesi o kadar büyüktür ki, normal sıcaklıklarda hiçbir elektron boşluğu atlayamaz. Yarı iletkenler için bu bant aralığının enerjisi için normal değerler, elektron voltun birkaç onda biri ila yaklaşık 2 eV aralığında yer alırken, yalıtkanlar için bu enerjiler önemli ölçüde daha yüksektir.
İletim, bir yarı iletkende şu şekilde meydana gelebilir: "Normal" sıcaklıkların geniş sıcaklık aralığında, iletim bandı "neredeyse boştur" ve valans bandı elektronlarla "neredeyse doludur".
İletim bandında "neredeyse boş", yalnızca birkaç elektronun izin verilen enerji durumlarında olduğu anlamına gelir. Tüm bu durumlar bandın kenarına yakın olmasına rağmen, dolu seviyelere yakın çok sayıda boş durum vardır, bu nedenle bu elektronlar neredeyse sürekli bir işlemle daha yüksek bir seviyeye ulaşma yeteneğine sahiptir.
Bu, bir elektrik alanına bağlandığında enerjinin sürekli olarak alınabileceği anlamına gelir. Bu nedenle, elektronlar bir elektrik alanı yönünde hareket edebilir. O zaman iletken elektronları metallerdeki elektronların klasik fizikte ele alındığı gibi ele almak mümkündür.
Seyreltme seviyesi nedeniyle birbirlerini çok az etkilerler, ancak kristalin kafesi ile sürekli yakın etkileşim halindedirler. Bu etkileşim oldukça karmaşıktır ve yalnızca istatistiksel olarak değerlendirilebilir.
Buna benzer bir şekilde “neredeyse dolu” valans bandındaki davranıştır. Bu banttaki bazı enerji seviyeleri elektronlar tarafından işgal edilmez ve bu enerji seviyeleri de değerlik bandının kenarına yakındır. İletim bandında olduğu gibi, bu boş durumlar çok sayıda işgal altındaki durumlarla çevrilidir.
Bu, böyle bir boş durumun değerlik bandı içinde dolaşabileceği anlamına gelir. Bu boş durum, boşluk veya kusurlu elektron olarak bilinir. Bu deliği bir birey olarak, yani bir yük taşıyıcı olarak ele almanın mantıklı olduğu kanıtlanmıştır. Bu yük taşıyıcının pozitif bir yükü olduğu açıktır. Kusurlu elektron veya boşluk, elektron gibi, ikinci tip bir yük taşıyıcıdır. Bu, yarı iletkenlerdeki iletkenlik olgusunu ele almak için son derece yararlı bir biçimciliktir.
T = 300 K'de saf silikonun özdirenci son derece yüksektir, yaklaşık 300.000 Ωcm. Ayrıca sıcaklıkla çok önemli ölçüde değişir. Bununla birlikte, sıcaklığı artırmanın yanı sıra, bir yarı iletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu ve dolayısıyla iletkenliğini değiştirmenin oldukça etkili başka bir yöntemi, yani belirli safsızlık atomlarının kristale amaçlı olarak sokulması vardır.
Yenilenemez enerji kaynakları
enerji kaynakları nelerdir
Yenilenemez enerji kaynakları petrol
YENİLENEBİLİR ve yenilenemez enerji kaynakları
Enerji kaynakları Nelerdir
Doğal enerji kaynakları Nelerdir
Yapay enerji kaynakları
Dünyada kullanılan enerji kaynakları
Kristal yapıdaki silikon atomunu periyodik tablonun beşinci grubundan bir elementle, örneğin fosforla değiştirirsek, bu atom beraberinde beş valans elektronu “getirir”.
Kristal yapıya bağlanmak için bu elektronlardan sadece dördü gerekir. Bu nedenle, beşinci elektronun nispeten gevşek bir şekilde bağlı olması ve bu nedenle düşük sıcaklıklarda bile "iyonize olabilmesi" olasıdır. Periyodik tablonun beşinci grubunda yer alan bu elementlere elektronları kolaylıkla “bağışlayabildikleri” için “verici” diyoruz.
Fosforun yanı sıra arsenik ve antimon elementleri de yarı iletken teknolojisinde verici olarak kullanılmaktadır. Ekstra elektronların düşük aktivasyon enerjileri nedeniyle düşük sıcaklıklarda bile iyonlaşırlar.
Periyodik tablonun üçüncü grubundaki elementleri de katkı maddesi olarak kullanabiliriz. Bor, alüminyum, galyum ve indiyum elementleri yarı iletken teknolojisinde kullanılmaktadır. Üç değerlikli bir katkı atomunun eksik bağ elektronu, bir delik oluşmasına ve dolayısıyla yarı iletkenin pozitif iletkenliğinde bir artışa yol açar.
Bu nedenle buna p-tipi iletken denir ve bu tür katkı maddeleri alıcılar olarak bilinir. Delikler artık baskındır, yani çoğunluk yük taşıyıcıları ve elektronlar azınlık yük taşıyıcılarıdır. Aynı düzenlilik, beş değerli atomlarla katkılama durumunda olduğu gibi geçerlidir, yani düşük sıcaklıklarda bile tüm delikler aktiftir.
Enerji boşluğunda bir dizi kimyasal elementin enerji seviyeleri görülebilir. Verici seviyeleri iletim bandına yakındır ve alıcı seviyeleri valans bandına yakındır. Görüldüğü gibi bazı elemanlar boşluğun merkezine yakın seviyelere neden olmaktadır.
Bu seviyelere rekombinasyon merkezleri denir çünkü fazla serbest elektronların ve deliklerin boşluk boyunca yeniden birleşmesine neden olurlar. Bu yeniden birleştirme, güneş pillerinin (ve diğer yarı iletken cihazların çoğunun) çalışmasına müdahale eder ve bundan kaçınılmalıdır. Bazı safsızlıkların eser miktarları bile çok zararlı olduğundan, yarı iletkenler son derece saf olmalıdır.
Daha sonra, yarı iletkenlerde ışığın soğurulmasıyla yük taşıyıcıların oluşumuna bakacağız. Opak metallerin aksine, yarı iletkenler kendileri için karakteristik olan soğurma davranışını sergilerler. En önemli özelliği soğurma kenarı olarak adlandırılan varlığıdır.
Foton enerjisinin (E = hc/λ, burada c ışığın boşluktaki hızı ve h Plank sabitidir) yasak bandın enerjisinden daha büyük olduğu λ dalga boyları için ışık, kalınlığa bağlıdır. malzemenin neredeyse tamamı emilir.
Uzun dalga boylu ışık durumunda, düşük enerjisi nedeniyle neredeyse hiç soğurma gerçekleşmez. Bu spektral bölgede yarı iletken şeffaftır. Silikon durumunda, bant kenarı λ ∼ 1,11μm'de kızılötesi içinde yer alır. Bu nedenle silikon, kızılötesi optikler için bir temel malzeme olarak mükemmel bir şekilde uygundur, ancak daha sonra göreceğimiz gibi, güneş spektrumunun soğurulması için ideal değildir.
Fotosentetik Sabit Enerji
Fotosentez. Biyokütle üretimi için en önemli süreç fotosentezdir. Işık enerjisi kullanılarak fotosentez işlemi ile karbondioksit (CO2) emilir ve bitki maddesine karbon (C) eklenir (asimilasyon), böylece güneş enerjisi kimyasal enerjiye dönüşür.
Fotosentez, ışık ve karanlık reaksiyon süreçlerine ayrılır. Işık reaksiyonu sırasında hücre, fotokimyasal reaksiyonlar yoluyla karbondioksitin (CO2) asimilasyonu için gerekli enerjiyi üretir.
Oksijenin (O2) yanı sıra yüksek enerjili maddeler olan adenozin trifosfat (ATP) ve nikotin adenin dinükleotid fosfat (NADPH) ile hidrojen iyonları (H+) üretilir.
Işığın etkisi olmadan gerçekleşen karanlık reaksiyon sürecinde, bu yüksek enerjili maddeler CO2’nin özümsenmesi için tekrar kullanılır. Fotosentez işleminin son ürünü heksoz veya şekerdir (C6H12O6). Tüm süreç için toplam formül, Denklem ile açıklanmaktadır.
Karbon dioksit (CO2) ve suyun (H2O) heksozlara dönüştürülmesi, yeşil, ışık emici pigment klorofil içeren kloroplastlarda gerçekleşir. CO2 bitkilerin fissür boşluklarından ve hücre boşluklarından (hücreler arası boşluklar) fotosentetik olarak aktif hücrelere yayılır ve burada ribuloz-1.5-difosfata bağlanır.
Daha sonra ayrışan 6 karbon atomlu bir molekül üretilir. Daha sonra, ATP ve NADP+ tüketerek karbonhidratların (örn. glikoz) bir bileşeni olan fosfogliserinaldehit üretilir. Bu karbonhidratlar, bitkiler tarafından metabolik süreçleri için bir enerji kaynağı ve ayrıca bitki maddesini oluşturmak için elementler olarak kullanılır.
Bu fotosentetik yol, ılıman iklim bölgelerinde yetişen bitkiler için C3 tipi olarak adlandırılan tipik bir yoldur. Adı, fotosentezin ilk ürünü olan 3 C atomundan oluşan fosfor-gliserin asidinden gelmektedir. CO2’yi bağlamaktan sorumlu C3 bitkilerinin sözde CO2 alıcısı ribuloz-1.5-difosfattır.
Mısır, şeker kamışı veya miscanthus gibi, çoğunlukla subtropikal bölgelerden gelen bazı ürünler, CO2 alıcısı olarak fosfoenol pirüvik asit kullanır. Bu madde, C3 bitkilerinin CO2 alıcısından daha fazla CO2 afinitesine sahiptir. İlk olarak, bu maddeye dayanarak 4 C atomlu bileşikler üretilir.
Ek olarak, bu tür C4-bitkileri için, ışık ve karanlık reaksiyonu birbirinden ayrı olan farklı kloroplast tiplerinde gerçekleşir. Bu, C4 bitkisinin yaprakların dış kısmındaki mezofil hücrelerinin kloroplastlarındaki CO2’yi bağlamasını ve asimilasyon için avantajlı olan iç demet bölümlerinin kloroplastlarında yüksek bir CO2 konsantrasyonu oluşturmasını sağlar.
Fotosentez işleminin verimliliği, bitkilere isabet eden radyasyonun yüzde kaçının bitkiler tarafından fotosentez yoluyla kimyasal enerji şeklinde depolanabileceğini belirtir. Genel olarak, fotosentez işlemi, asimile edilmiş karbonhidratın gramı başına 15.9 kJ kullanır.
Fotosentez ne zaman gerçekleşir
Fotosentez denklemi
Fotosentez sonucu oluşan ürünler
Fotosentez yapan canlılar
Fotosentez yapan bitkiler
Fotosentez olayı
Fotosentez özellikleri
Fotosentez nedir
Bireysel yapraklar için fotosentez yoluyla radyasyondan yararlanma, uygun koşullar altında %15’e kadar çıkabilir.
Ancak çoğu durumda verimlilik derecesi %5 ile %10 arasındadır veya daha da düşüktür. Tüm plantasyona ilişkin olarak ve mevsimsel ve yerel olarak değişen asimilasyon koşulları dikkate alındığında, farklı bitki popülasyonlarının fotosentetik etkinliği çöl alanlarında %0,04 ile yağmur ormanlarında %1,5’e kadar dalgalanmaktadır. Tarımsal ürünlerin büyüme dönemlerindeki verimleri 1 ile 3 arasındadır.
CO2, organik moleküllere kıyasla daha düşük bir enerji içeriğine sahiptir. Bu enerji farkı bitkiler tarafından nefes alırken, yani fotosentez (disimilasyon) sırasında üretilen karbonhidratları ayrıştırırken kullanılır.
Enerji, metabolik süreçler ve proteinler, yağlar ve selüloz gibi bitki kütlesinin farklı bileşenlerini oluşturmak için kullanılır. Artan sıcaklık seviyesi ile artan solunum, madde kaybına neden olur.
Normalde, sadece ışık varken gerçekleşebilen fotosentez sırasındaki madde kazancı, gündüz (fotosolunum) ve gece boyunca (karanlık solunum) gerçekleşebilen solunumun neden olduğu madde kaybından daha fazladır. Net fotosentez, toplam fotosentez eksi solunum kayıplarının sonucudur.
C3 bitkileri için 30’a kadar ve C4 bitkileri için 100 cm2 yaprak yüzeyi başına 50 ila 90 mg CO2 ve saat /2-27/’dir. C4-bitkileri tarafından daha yüksek organik madde üretiminin bir nedeni, C3-bitkileri ile karşılaştırıldığında daha düşük fotosolunum seviyesidir.
Bunun nedeni, CO2’nin daha etkili bir şekilde bağlanması ve farklı tipte kloroplastların tarif edilen ayrılmasıdır. Sıcaklığı fizyolojik olarak kabul edilebilir bir seviyede tutmak için uzun dalga yansımasına ve ısı salınımına yol açan su buharlaşması daha fazla enerji kaybına neden olur.
Bir gürgen ormanı örneğini kullanarak bir ekosistemin net biyokütlesindeki kazancı gösterir. Gelen güneş enerjisinin %1’i kullanılarak 24 t/(ha a) biyokütle (kuru madde) üretilir. Bu miktarın yarısı bitki solunumu ile kaybedilir.
Kalan biyokütlenin bir kısmı, yapraklar döküldükçe toprağa eklenir ve mikroorganizmalar tarafından ayrıştırılır. Hektar ve yıl başına net biyokütle depolaması yer üstünde yaklaşık 5,7 ton ve yer altında kök ve humus olarak yaklaşık 2,4 tondur.
Çeşitli Büyüme Faktörlerinin Etkisi
Biyokütle oluşumu esas olarak ışınlama, su, sıcaklık, toprak, besinler ve bitki yetiştirme önlemlerinden etkilenir. Bu parametreler tartışılır.
Işınlama. Net fotosentez, bir doyma noktasına ulaşana kadar artan ışınlama yoğunluğu seviyesiyle artar. Işınlama çok düşükse, karbondioksitin solunması asimilasyonunu aşar. Solunan CO2 miktarının asimile edilen miktara eşit olduğu ışınlama yoğunluğu seviyesi, foto kompanzasyon noktası olarak adlandırılır ve çoğu bitki için 4 ile 12 W/m2 arasında değişir.
Bir bitki üzerindeki ışınlama olayının sadece bir kısmı emilir. Gerisi bitki tarafından yansıtılır veya ona nüfuz eder. Işınlamanın bitki dokusunda soğurulması seçicidir, yani dalga boyuna bağlıdır. Özellikle 0,7 ile 1,1 μm arasındaki kızılötesi aralığında, enerjinin büyük bir kısmı emilmeden bitki gövdesine nüfuz eder.
Net olay ışınımı, yansımayan toplam ışınımın ve uzun dalga yansımasının bir sonucudur. Yansıma katsayısı, yansıyan enerjinin gelen enerjiye oranını temsil eder. Bu katsayı esas olarak geliş açısına, yüzey dokusuna ve bitkinin rengine bağlıdır. Yeşil bir bitki gövdesi için yansıma katsayısı 0,1 ile 0,4 arasındadır.
Farklı bitkilerin bireysel yapraklarının CO2 asimilasyonu, gelen ışınlama ve fotosentez tipi ile orantılı olarak artar. Aynı seviyede ışınlamada, C4 bitkilerinin asimilasyonu C3 bitkilerinden daha yüksektir.