Heute erzählen wir Ihnen, wie die Leitfähigkeit von Halbleitern inhärent und verunreinigt ist, wie sie entsteht und welche Rolle sie im modernen Leben spielt.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellten Wissenschaftler fest, dass das Atom nicht das kleinste Teilchen der Materie ist. Es hat eine eigene komplexe Struktur und seine Elemente interagieren nach speziellen Gesetzen.
К примеру, выяснилось, что электроны могут nur in gewissen abständen zu den kernorbitalen sein. Übergänge zwischen diesen Zuständen treten ruckartig auf, wenn ein Quant des elektromagnetischen Feldes freigesetzt oder absorbiert wird. Um den Mechanismus der intrinsischen Leitfähigkeit und der Störstellenleitfähigkeit von Halbleitern zu erklären, müssen wir zunächst die Struktur des Atoms verstehen.
Die Größen und Formen der Orbitale werden durch Wellen bestimmtEigenschaften eines Elektrons. Wie eine Welle hat dieses Teilchen eine Periode, und wenn es sich um den Kern dreht, „überlagert“ es sich. Nur wo die Welle ihre eigene Energie nicht unterdrückt, kann ein Elektron lange existieren. Die Konsequenz daraus ist: Je weiter der Pegel vom Kern entfernt ist, desto geringer ist der Abstand zwischen diesem und dem vorherigen Orbital.
Собственную и примесную проводимость Physiker erklären Halbleiter als „Kollektiv“ identischer Orbitale, die in einem Festkörper vorkommen. Mit festen Mitteln kein Aggregatzustand, sondern ein ganz bestimmter Begriff. Dies ist der Name einer Substanz mit einer kristallinen Struktur oder eines amorphen Körpers, der möglicherweise kristallin sein kann. Zum Beispiel sind Eis und Marmor fest, Holz und Ton jedoch nicht.
Im Kristall gibt es so viele ähnlicheAtome und identische Elektronen drehen sich jeweils in denselben Orbitalen. Und es gibt ein kleines Problem. Ein Elektron gehört zur Klasse der Fermionen. Dies bedeutet, dass es nicht zwei Partikel in genau denselben Zuständen geben kann. Und was tun in diesem Fall, ein solider?
Die Natur hat einen erstaunlich einfachen Ausweg gefunden:Alle Elektronen, die zum selben Orbital eines Atoms in einem Kristall gehören, unterscheiden sich geringfügig in der Energie. Dieser Unterschied ist unglaublich gering und alle Orbitale scheinen zu einer kontinuierlichen Energiezone „komprimiert“ zu sein. Zwischen den Zonen befinden sich große Einbrüche - solche Orte, an denen keine Elektronen sein können. Diese Räume werden als "verboten" bezeichnet.
Среди всех зон одного твердого тела выделяются zwei. In einem (den höchsten) Elektronen können sich frei bewegen, sie sind nicht an ihre Atome „gebunden“ und bewegen sich von Ort zu Ort. Dies wird als Leitungsband bezeichnet. In Metallen steht ein solcher Bereich in direktem Kontakt mit allen anderen, und um Elektronen anzuregen, ist es nicht erforderlich, viel Energie zu verbrauchen.
Bei anderen Substanzen ist alles anders:Elektronen befinden sich im Valenzband. Dort sind sie an ihre Atome gebunden und können sie nicht einfach verlassen. Das Valenzband ist durch ein "Eintauchen" vom Leitungsband getrennt. Damit die Elektronen die verbotene Zone überwinden können, muss der Substanz eine bestimmte Energie gegeben werden. Dielektrika unterscheiden sich von Halbleitern nur in der Größe des "Eintauchens". Im ersteren ist es größer als 3 eV. Im Durchschnitt für Halbleiter beträgt die Bandlücke jedoch 1 bis 2 eV. Wenn der Spalt größer ist, wird die Substanz als Halbleiter mit großem Spalt bezeichnet und mit Vorsicht verwendet.
Um die Merkmale der Eigen- und Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern zu verstehen, müssen Sie zunächst herausfinden, um welche Typen es sich handelt.
Wir haben bereits gesagt, dass ein Halbleiter istein Kristall. Daher besteht sein Gitter aus identischen periodischen Elementen. Und seine Elektronen müssen in das Leitungsband "geworfen" werden, damit Strom durch die Substanz fließt. Wenn sich Elektronen im Volumen des Kristalls bewegen, ist dies die elektronische Leitfähigkeit. Es wird als n-Leitfähigkeit bezeichnet (ab dem ersten Buchstaben des englischen Wortes negativ, dh "negativ"). Aber es gibt noch einen anderen Typ.
Stellen Sie sich das in einem bestimmten periodischen System vorEin Artikel fehlt. Zum Beispiel sind Tennisbälle in einem Korb. Sie befinden sich in sogar identischen Schichten: Jede hat die gleiche Anzahl von Kugeln. Wenn eine Kugel entfernt wird, entsteht ein Hohlraum, ein Loch in der Struktur. Alle umgebenden Kugeln versuchen, die Lücke zu füllen: Ein Element aus der obersten Schicht fällt an die Stelle der fehlenden. Und so weiter, bis sich das Gleichgewicht eingestellt hat. Gleichzeitig bewegt sich das Loch aber auch - in die entgegengesetzte Richtung nach oben. Und wenn anfangs die Oberfläche der Kugeln im Korb flach war, bildet sich nach dem Bewegen in der oberen Reihe ein Loch anstelle einer fehlenden Kugel.
So ist es auch mit Elektronen in Halbleitern:Wenn sich die Elektronen zum positiven Spannungspol bewegen, bewegen sich die an ihrer Stelle verbleibenden Hohlräume zum negativen Pol. Diese entgegengesetzten Quasiteilchen werden "Löcher" genannt und sind positiv geladen.
Wenn im Halbleiter Löcher vorherrschen, wird der Mechanismus als p-Leitfähigkeit bezeichnet (ab dem ersten Buchstaben des englischen Wortes positiv, dh „positiv“).
Wenn eine Person das Wort "Unreinheit" hört, dann öfterimpliziert nur etwas Unerwünschtes. Zum Beispiel "eine Beimischung giftiger Substanzen in Wasser", "eine Beimischung von Bitterkeit in die Freude am Triumph". Die Beimischung ist aber auch etwas Kleines, Unbedeutendes.
Im Fall von Halbleitern hat dieses Worteher die zweite Bedeutung als die erste. Um eine der Arten der Leitfähigkeit zu verbessern, kann ein Atom in den Kristall eingeführt werden, das die Elektronen abgibt (Donor) oder sie aufnimmt (Akzeptor). Manchmal ist eine kleine Menge eines Fremdstoffs erforderlich, um eine Art Strom zu erhöhen.
Daher sind die Eigen- und Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern ähnliche Phänomene. Das Additiv verbessert nur die vorhandene Qualität des Kristalls.
Die Art der Leitfähigkeit für Kristalle ist wichtig, aber in der Praxis werden sie in Kombination verwendet.
An der Verbindungsstelle von n- und p-HalbleiternEs entsteht eine Zwischenschicht aus positiven und negativen Partikeln. Wenn der Strom richtig angeschlossen ist, heben sich die Ladungen gegenseitig auf und es fließt Strom in den Stromkreis. Wenn die Pole in die entgegengesetzte Richtung geschaltet sind, "verriegeln" sich die ungeladenen Partikel in ihrer eigenen Hälfte und es gibt keinen Strom im System.
Somit kann ein kleines Stück dotiertes Silizium zu einer Diode zum Gleichrichten eines elektrischen Stroms werden.
Ein Element, das zwei Arten von Halbleitern enthält, kann auch als Transistor zum Steuern und Verstärken von Strom dienen.
Wie wir oben gezeigt haben, spielt eine Schlüsselrolle inEigenleitungs- und Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern. Halbleiter sind viel kleiner geworden als Röhrenvorrichtungen. Dieser technologische Durchbruch ermöglichte es, vieles zu erreichen, was Wissenschaftler theoretisch vorausgesagt hatten, aber vorerst war es aufgrund der Größe der Ausrüstung nicht möglich, es in die Praxis umzusetzen.
Die Raumfahrt ist zu einer der wichtigsten gewordenHalbleiterfähigkeiten. Bis in die sechziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts war dies aus dem einfachen Grund nicht möglich, dass die Raketensteuerung in unglaublich schweren und zerbrechlichen Rohrgeräten enthalten war. Kein Weg könnte einen solchen Koloss ohne Vibration und Stress heben. Die Entdeckung der Leitfähigkeit von Silizium und Germanium ermöglichte es, das Gewicht der Steuerelemente zu reduzieren und sie fester und haltbarer zu machen.
