I dag vil vi fortælle dig, hvad halvlederens indre og urenhedsledningsevne er, hvordan den opstår, og hvilken rolle den spiller i det moderne liv.
I begyndelsen af det tyvende århundrede regnede forskerne med, at atomet ikke er den mindste partikel af stof. Det har sin egen komplekse struktur, og dets elementer interagerer i henhold til særlige love.
For eksempel viste det sig, at elektroner kankun at være i bestemte afstande til kernen - orbitaler. Overgange mellem disse tilstande forekommer i et ryk med frigivelse eller absorption af et kvantum af det elektromagnetiske felt. For at forklare mekanismen for halvlederes indre og urenhedsledningsevne skal man først forstå atomets struktur.
Orbitalernes størrelser og former bestemmes af bølgeformenelektronens egenskaber. Som en bølge har denne partikel en periode, og når den drejer sig om kernen, "overlejrer" den sig selv. Kun hvor bølgen ikke undertrykker sin egen energi, kan elektronen eksistere i lang tid. Derfor konsekvensen: jo længere væk fra kernen niveauet er, jo mindre er afstanden mellem denne og den forrige orbital.
Intrinsisk ledningsevne og urenhedfysik forklarer halvledere med "kollektivet" af identiske orbitaler, der opstår i et fast stof. Et stift organ betyder ikke en sammenlægningstilstand, men et meget specifikt udtryk. Dette er navnet på et stof med en krystallinsk struktur eller en amorf krop, der potentielt kan være krystallinsk. For eksempel er is og marmor solid, men træ og ler ikke.
Der er mange lignende i krystallen.atomer, og de samme elektroner drejer sig om hver i de samme orbitaler. Og der er et lille problem her. Elektronen tilhører klassen af fermioner. Dette betyder, at der ikke kan være to partikler i nøjagtigt de samme tilstande. Og hvad skal en solid krop gøre i dette tilfælde?
Naturen har fundet en utrolig enkel udvej:alle elektroner, der hører til det samme orbital i et atom i en krystal, er lidt forskellige i energi. Denne forskel er utrolig lille, og alle orbitaler "presses" som en sammenhængende energizone. Der er store huller mellem zoner - steder, hvor elektroner ikke kan være. Disse rum kaldes "forbudte" rum.
Blandt alle zoner med et fast stof,to. I den ene (den øverste) kan elektroner bevæge sig frit, de er ikke "fastgjort" til deres atomer og bevæger sig fra sted til sted. Dette kaldes ledningsbåndet. I metaller er en sådan region i direkte kontakt med alle andre, og for at excitere elektroner er det ikke nødvendigt at bruge meget energi.
Men med andre stoffer er alt anderledes:elektroner er placeret i valensbåndet. Der er de forbundet med deres atomer og kan ikke bare forlade dem. Valensbåndet er adskilt fra ledningsbåndet med en "dip". For at elektronerne kan krydse den forbudte zone, skal der tilføres en vis energi til stoffet. Dielektricitet adskiller sig kun fra halvledere i størrelsen af "dip". For førstnævnte er det mere end 3 eV. Men i gennemsnit har halvledere et båndgab på 1 til 2 eV. Hvis kløften er større, kaldes stoffet en halvleder med bred kløft og bruges med forsigtighed.
For at forstå, hvad der er træk ved halvlederens indre og urenhedsledningsevne, skal man først finde ud af, hvad dens typer er.
Vi har allerede sagt, at en halvleder erkrystal. Dette betyder, at dets gitter består af periodiske identiske elementer. Og dets elektroner skal "kastes" ind i ledningsbåndet, så en strøm strømmer gennem stoffet. Hvis det er elektroner, der bevæger sig gennem krystalvolumenet, er dette elektronisk ledningsevne. Det betegnes som n-ledningsevne (fra første bogstav i det engelske ord negativ, det vil sige "negativ"). Men der er også en anden type.
Forestil dig det i et bestemt periodisk systemen ting mangler. For eksempel er der tennisbolde i en kurv. De er arrangeret i lige, identiske lag: hver har lige mange bolde. Hvis du tager en kugle ud, dannes et hul, et hul i strukturen. Alle omgivende bolde vil forsøge at udfylde hullet: et element fra det øverste lag falder på plads til den manglende. Og så videre, indtil ligevægt er etableret. Men på samme tid bevæger hullet sig også - i den modsatte retning opad. Og hvis overfladen af kuglerne i kurven oprindeligt var flad, dannes der efter bevægelserne i den øverste række et hul i stedet for en manglende kugle.
Således er det med elektroner i halvledere:hvis elektronerne bevæger sig til den positive pol af spændingen, så flytter hulrummene i deres sted til den negative pol. Disse modsatte kvasipartikler kaldes "huller" og de har en positiv ladning.
Hvis huller dominerer i en halvleder, kaldes mekanismen p-ledningsevne (fra det første bogstav i det engelske ord positiv, det vil sige "positiv").
Når en person hører ordet "urenhed", så ofterei alt antydes noget uønsket. For eksempel "en blanding af giftige stoffer i vand", "en blanding af bitterhed i glæden ved at sejre." Men urenhed er også noget lille, ubetydeligt.
I tilfælde af halvledere har dette ordsnarere den anden betydning end den første. For at forbedre en af typerne af ledningsevne kan et atom introduceres i krystallen, som vil donere elektroner (donor) eller tage dem væk (acceptor). Nogle gange tager det en lille mængde fremmedlegemer at øge en slags strøm.
Således er den indre og urenhedsledningsevne af halvledere lignende fænomener. Tilsætningsstoffet forbedrer kun den allerede eksisterende kvalitet af krystallen.
Den type ledningsevne for krystaller er vigtig, men i praksis anvendes en kombination af dem.
Ved krydset mellem halvledere af n- og p-typender oprettes et lag af positive og negative partikler. Hvis strømmen er tilsluttet korrekt, kompenserer afgifterne for hinanden, og der strømmer strøm i kredsløbet. Hvis polerne er forbundet i den modsatte retning, vil de forskelligt ladede partikler "låse" hinanden i deres halvdel, og der vil ikke være nogen strøm i systemet.
Således kan et lille stykke doteret silicium blive en diode til at rette en elektrisk strøm.
Et element indeholdende to typer halvleder kan også fungere som en transistor til at drive og forstærke strøm.
Som vi har vist ovenfor, spiller det en nøglerolle ihalvlederens indre og urenhedsledningsevne. Halvlederanordninger er blevet meget mindre end røranordninger. Dette teknologiske gennembrud gjorde det muligt at udrette meget af, hvad forskere forudsagde teoretisk, men kunne ikke implementeres i praksis for tiden på grund af udstyrets store størrelse.
Rumflyvning er blevet en af de vigtigstede muligheder, som halvledere tilbyder. Indtil tresserne i det tyvende århundrede var dette ikke muligt af den enkle grund, at styringen af raketten var indeholdt i utroligt tunge og skrøbelige lampeindretninger. Ingen anden metode kunne løfte en sådan koloss uden vibrationer og belastninger. Og opdagelsen af silicium og germanium ledningsevne gjorde det muligt at reducere vægten af kontrolelementerne og gøre dem mere solide og holdbare.
