Вътрешната и примесната проводимост на полупроводниците: характеристики

Днес ще ви кажем каква е присъщата и примесната проводимост на полупроводниците, как тя възниква и каква роля играе в съвременния живот.

Атом и теория на групата

В началото на ХХ век учените открили, че атомът не е най-малката частица от материята. Тя има своя собствена сложна структура и нейните елементи взаимодействат според специфичните закони.

Например, се оказва, че електроните могат да бъдат разположени само на определени разстояния до орбитата на ядрото. Преходите между тези състояния се проявяват с освобождаването или абсорбцията на квантовото от електромагнитното поле. За да обясним механизма на присъщата и примесната проводимост на полупроводниците, първо трябва да разберем структурата на атома.

Размерите и формите на орбитите се определят от вълновите свойства на електрона. Подобно на вълната, тази частица има период, а когато се върти около ядрото, тя се "припокрива". Само когато вълната не потиска собствената си енергия, електронът може да съществува дълго време. Оттук следва, че колкото по-далече от ядрото е нивото, толкова по-малко е разстоянието между това и предишното орбитално.

Решетка в твърдо състояние

Физиката обяснява вътрешната и примесната проводимост на полупроводниците чрез "колективния" идентичен орбитал, който възниква в твърдо състояние. Под солидно тяло не се разбира съвкупно състояние, а много конкретно понятие. Това е името на вещество с кристална структура или аморфно тяло, което потенциално може да бъде кристално. Например, ледът и мраморът са твърдо тяло, а дърво и глина не са.

В един кристал има много подобни атоми и около едни и същи електрони се въртят в същите орбитали. И тук има малък проблем. Електронът принадлежи към класа фермиони. Това означава, че не могат да има две частици в точно същите състояния. И какво да направя в този случай солидно тяло?

Природата е намерила зашеметяваща простота: всички електрони, които принадлежат към едни и същи орбитални атоми на един атом в един кристал, се различават леко в енергията. Разликата е невероятно малка и всички орбита изглеждат "компресирани" в една непрекъсната енергийна зона. Между зоните има големи спадове - места, където електроните не могат да бъдат. Тези пропуски се наричат ​​"забранени".

Как се различава един полупроводник от проводник и диелектрик?

Сред всички зони на едно твърдо тяло, две се отличават. В един (най-висшите) електрони могат да се движат свободно, те не са "прикрепени" към техните атоми и се преместват от място на място. Това се нарича проводна лента. В металите този регион директно влиза в контакт с всички останали и за да възбужда електрони, не изисква много енергия.

Но други вещества са различни: електроните се намират в лентата на валентността. Там те са свързани с техните атоми и не могат просто да ги оставят. Валентната лента е отделена от проводниковата лента чрез "неуспех". За да могат електроните да преодолеят забранената ивица, веществото трябва да получи определена енергия. Диелектриците се различават от полупроводниците само в размера на "потапяне". При първото е повече от 3 eV. Но средно за полупроводници ширината на забранената лента е от 1 до 2 eV. Ако разликата е по-голяма, тогава веществото се нарича полупроводник с широка пролука и се използва предпазливо.

Видове проводимост на полупроводниците

За да разберем какви са характеристиките на присъщата и примесната проводимост на полупроводниците, първо е необходимо да разберете какви видове полупроводници съществуват.

Вече ви казахме, че един полупроводник е кристал. Следователно решетката му се състои от периодично идентични елементи. И неговите електрони трябва да бъдат "хвърлени" в проводната лента, така че токът да тече през веществото. Ако електроните се движат по обема на кристала, това е електронно проводимост. Обозначава се като n-проводимост (от първата буква на английската дума негативна, т.е. "отрицателна"). Но има и друг тип.

Представете си, че в дадена периодична система няма нито един елемент. Например, лежат в кошница с топки за тенис. Те са разположени на равни равни пластове: всеки от тях има еднакъв брой топки. Ако се извади една топка, в нея се образува куха дупка. Всички околни топки ще се опитат да запълнят празнината: един елемент от горния слой ще лежи на мястото на липсващия. И така, докато се установи равновесие. Но в този случай и дупката също ще се движи - в обратна посока, нагоре. И ако първоначално повърхността на топките в коша е плоска, след това след изместванията в горния ред се образува дупка вместо една липсваща топка.

По същия начин, с електрони в полупроводниците: ако електроните се придвижат към положителния напрежен стълб, кухините, които остават на тяхно място, се преместват в отрицателния полюс. Тези противоположни квасипартички се наричат ​​"дупки" и те имат положителна заряд.

Ако дупките преобладават в полупроводник, тогава механизмът се нарича p-проводимост (от първата буква на английската дума положителна, т.е. "положителна").

Нечистота: случайност или аспирация?

Когато човек чува думата "примес", нещо по-често означава нещо нежелателно. Например, "смес от токсични вещества във водата", "смес от горчивина в радостта от триумфа". Но нечистотата също е нещо малко, незначително.

В случай на полупроводници Тази дума има по-скоро втори смисъл, отколкото първо. За да се укрепи един от видовете проводимост, един атом може да бъде въведен в кристала, който ще отдели електроните (донора) или ще ги вземе (акцептора). Понякога се изисква малко количество чуждо вещество, за да се увеличи някакъв ток.

По този начин, вътрешната и примесната проводимост на полупроводниците са подобни явления. Добавката само укрепва вече съществуващото качество на кристала.

Използването на дозирани полупроводници

Видът на проводимостта за кристали е важен, но на практика използва комбинация от тях.

При свързването на полупроводници тип п и п, се създава слой от положителни и отрицателни частици. Ако токът е свързан правилно, зарежданията ще се компенсират взаимно и електричеството ще тече във веригата. Ако полюсите са свързани в обратната посока, заредените частици ще се "заключват" един в друг в тяхната половина и в текущата система няма да има ток.

По този начин, малко парче допиран силиций може да стане диод за поправяне на електрически ток.

Елемент, състоящ се от полупроводник от два типа, също може да служи като транзистор за управление и усилване на тока.

Както показахме по-горе, присъщата и примесната проводимост играе ключова роля в полупроводника. Полупроводникови устройства са станали много по-малки по размер от лампата. Този технологичен пробив направи възможно постигането на голяма част от теоретичните предупреждения на учените, но в практиката не можаха да се реализират поради големия размер на оборудването.

Силиций и пространство

Полетът в космоса се превърна в една от най-важните възможности, благодарение на полупроводниците. До шейсетте години на ХХ век това не беше практично, поради простата причина, че контролът на ракетата се съдържаше в невероятно тежки и крехки тръбни устройства. Няма начин да се повдигне такава машина без вибрации и товари. И откриването на проводимост на силиций и германий е направило възможно да се намали теглото на контролните елементи и да станат по-солидни и трайни.