Vlastní vodivost a nečistota polovodičů: vlastnosti

Dnes vám řekneme, jaká je vnitřní a nečistota vodivosti polovodičů, jak vzniká a jakou roli hraje v moderním životě.

Atom a teorie pásma

Na začátku dvacátého století, vědci zjistili, že atom - není nejmenší částice hmoty. Má svou složitou strukturu a její prvky se vzájemně propojují podle konkrétních zákonů.

Například se ukázalo, že elektrony mohou být umístěny pouze v určitých vzdálenostech od jádra - orbitaly. Přechody mezi těmito stavy se vyskytují při uvolňování nebo pohlcení kvantového elektromagnetického pole. Abychom vysvětlili mechanismus vnitřní a nečistotové vodivosti polovodičů, musíme nejdříve pochopit strukturu atomu.

Rozměry a tvary orbitálů jsou dány vlnovými vlastnostmi elektronu. Stejně jako vlna má tato částice nějaké období, a když se točí kolem jádra, překrývá se sama. Pouze tam, kde vlna netlačí svou vlastní energii, elektron může existovat po dlouhou dobu. Důsledkem toho je, že čím dál daleko od jádra je úroveň, tím menší je vzdálenost mezi tímto a předchozím orbitálním.

Mřížka v pevném stavu

Fyzika vysvětluje vnitřní a nečistou vodivost polovodičů "kolektivní" identických orbitálů, která vzniká v pevné fázi. Pod pevným tělem se nejedná o agregátní stav, ale o velmi konkrétní výraz. Toto je název látky s krystalickou strukturou nebo amorfním tělem, které mohou být potenciálně krystalické. Například led a mramor jsou pevné tělo a dřevo a hlína nejsou.

V krystalu existuje mnoho podobných atomů a kolem stejných elektronů se otáčejí ve stejných orbitálech. A zde je malý problém. Elektron patří do třídy fermionů. To znamená, že nemohou existovat dvě částice v přesně stejných stavech. A co dělat v tomto případě pevné tělo?

Příroda našla ohromující jednoduchost: všechny elektrony, které patří k stejným orbitálům jednoho atomu v krystalu, se mírně liší v energii. Rozdíl je neuvěřitelně malý a všechny orbitály se zdají být "stlačeny" do jedné zóny kontinuální energie. Mezi zónami leží velké poklesy - místa, kde elektrony nemohou být. Tyto mezery se nazývají "zakázané".

Jak se polovodič liší od vodiče a dielektrika?

Mezi všemi zónami jednoho pevného těla jsou dva odlišné. V jednom (nejvyšší) elektronu se mohou volně pohybovat, nejsou "připojeni" k jejich atomům a pohybují se z místa na místo. Toto se nazývá vodicí pásmo. V kovu taková oblast přímo přichází do styku se všemi ostatními a pro vzrušování elektronů netrvá moc energie.

Ale jiné látky jsou různé: elektrony se nacházejí ve valenčním pásmu. Tam jsou spojeny s jejich atomy a nemohou je jen nechat. Valenční pás je oddělen od vodivého pásma "poruchou". Aby elektrony překonaly zakázané pásmo, musí být látce přidělena určitá energie. Dielektrika se liší od polovodičů pouze ve velikosti "dip". Na prvním místě je více než 3 eV. Ale v průměru polovodičů je šířka zakázaného pásma od 1 do 2 eV. Je-li mezeru větší, pak je látka nazývána širokoúhlý polovodič a je používána s opatrností.

Druhy vodivosti polovodičů

Abychom porozuměli, jaké jsou vlastnosti vnitřní a nečistotové vodivosti polovodičů, je nejprve nutné zjistit, jaké druhy polovodičů jsou.

Už jsme vám řekli, že polovodič je krystal. Proto se jeho mřížka skládá z pravidelně identických prvků. A jeho elektrony musí být "hozeny" do vodivého pásma, aby proud proudil látkou. Pokud se elektrony pohybují podle objemu krystalu, jedná se o elektronické vedení. Označuje se jako n-vodivost (od prvního písmene anglického slova negativní, tj. "Negativní"). Ale existuje jiný typ.

Představte si, že v určitém periodickém systému není žádný prvek. Například ležet v koši tenisových míčků. Jsou uspořádány ve stejných rovných vrstvách: každý má stejný počet kuliček. Pokud je jedna kulička vytažena, v konstrukci se vytvoří dutý otvor. Všechny obklopující koule se pokusí zaplnit mezeru: jeden prvek z horní vrstvy bude ležet na místě chybějícího. A tak dále, dokud nebude dosažena rovnováha. Ale v tomto případě a otvor bude také pohybovat - v opačném směru nahoru. A jestliže na počátku byl povrch koulí v koši plochý, pak po posunutí v horní řadě se vytvoří otvor místo jedné chybějící koule.

Podobně, s elektrony v polovodičích: pokud se elektrony pohybují k kladnému napěťovému pólu, zůstávají prázdné prostory na svém místě k negativnímu pólu. Tyto opačné kvaziparticles se nazývají "otvory" a mají pozitivní náboj.

Pokud v polovodiči převládají otvory, pak se mechanismus nazývá p-vodivost (z prvního písmene anglického slova pozitivní, tj. "Pozitivní").

Nečistota: náhodnost nebo aspirace?

Když člověk slyší slovo "příměs", něco častěji se míní něco nežádoucího. Například "směs toxických látek ve vodě", "příměsí hořkosti v radosti triumfu". Ale nečistota je také něco malého, nevýznamného.

V případ polovodičů Toto slovo má spíše druhý význam než první. Pro zpevnění jednoho z typů vodivosti může být do krystalu vložen atom, který vydá elektrony (dárce) nebo je přijme (akceptor). Někdy je zapotřebí malého množství cizích látek, aby se zvýšil nějaký proud.

Takže vnitřní vodivost a nečistota polovodičů jsou podobné jevy. Přísada pouze posiluje již existující kvalitu krystalu.

Použití dopovaných polovodičů

Typ vodivosti pro krystaly je důležitý, ale v praxi používá kombinaci.

Na spojení polovodičů typu n a p je vytvořena vrstva pozitivních a negativních částic. Pokud je proud správně připojen, nabíječky se navzájem kompenzují a elektrická energie proudí v okruhu. Pokud jsou póly připojeny v opačném směru, nabité částice se vzájemně "zamknou" v polovině a v aktuálním systému nebude proud.

Malý kus dopovaného křemíku se tak může stát diodou pro opravu elektrického proudu.

Prvek obsahující dva typy polovodičů tranzistoru může také plnit funkci pro řízení a aktuální amplifikace.

Jak jsme již ukázali, vnitřní a nečistotová vodivost hraje klíčovou roli v polovodičové. Polovodičová zařízení se mnohem zmenšují ve srovnání s lampovými zařízeními. Tento technologický průlom umožnil dosáhnout toho, co vědci předpovídali teoreticky, ale v praxi to bylo nemožné díky velkému rozměru zařízení.

Křemík a prostor

Let do vesmíru se stal jedním z nejdůležitějších příležitostí k dispozici díky polovodičům. Až do šedesátých let dvacátého století to bylo nemožné z jednoduchého důvodu, že řízení rakety bylo obsaženo v neuvěřitelně těžkých a křehkých trubicových zařízeních. Žádný způsob by nemohl zvednout takový stroj bez vibrací a zátěží. A objev silikonové a germaniové vodivosti umožnilo snížit hmotnost ovládacích prvků a učinit je pevnější a odolnější.