Astăzi vă vom spune care este conductivitatea intrinsecă și de impuritate a semiconductoarelor, cum apare și ce rol joacă în viața modernă.
La începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință au dat seama că atomul nu este cea mai mică particulă de materie. Are propria structură complexă, iar elementele sale interacționează conform unor legi speciale.
De exemplu, sa dovedit că electronii potsă fie doar la anumite distanțe față de nucleu - orbitali. Tranzițiile dintre aceste stări se produc într-o scârbă cu eliberarea sau absorbția unei cuantice a câmpului electromagnetic. Pentru a explica mecanismul conductivității intrinseci și impurității semiconductoarelor, trebuie mai întâi să înțelegem structura atomului.
Dimensiunile și formele orbitalilor sunt determinate de undăproprietățile electronului. La fel ca o undă, această particulă are o perioadă și, atunci când se învârte în jurul nucleului, se „suprapune”. Doar acolo unde unda nu-și suprima propria energie, electronul poate exista mult timp. Prin urmare, consecința: cu cât nivelul este mai departe de miez, cu atât este mai mică distanța dintre acesta și orbitalul anterior.
Conductivitate intrinsecă și impuritatefizica explică semiconductorii prin „colectivul” orbitalilor identici, care apare într-un solid. Un corp rigid nu înseamnă o stare de agregare, ci un termen foarte specific. Acesta este numele unei substanțe cu o structură cristalină sau a unui corp amorf care poate fi cristalin. De exemplu, gheața și marmura sunt solide, dar lemnul și lutul nu.
Există multe similare în cristal.atomii și aceiași electroni se învârt în jurul fiecăruia în aceiași orbitali. Și există o mică problemă aici. Electronul aparține clasei fermionilor. Aceasta înseamnă că nu pot exista două particule în exact aceleași stări. Și ce ar trebui să facă un corp solid în acest caz?
Natura a găsit o ieșire uimitor de simplă:toți electronii care aparțin aceluiași orbital al unui atom dintr-un cristal sunt ușor diferiți în ceea ce privește energia. Această diferență este incredibil de mică și toți orbitalii sunt, parcă, „presați” într-o singură zonă de energie continuă. Există spații mari între zone - locuri în care electronii nu pot fi. Aceste spații sunt numite spații „interzise”.
Dintre toate zonele unui singur solid,Două. Într-unul (cel mai de sus) electronii se pot mișca liber, nu sunt „atașați” de atomii lor și se mișcă dintr-un loc în altul. Aceasta se numește banda de conducere. În metale, o astfel de regiune este în contact direct cu toate celelalte și, pentru a excita electronii, nu este necesar să cheltuiți multă energie.
Dar, cu alte substanțe, totul este diferit:electronii sunt localizați în banda de valență. Acolo sunt conectați cu atomii lor și nu pot să-i părăsească. Banda de valență este separată de banda de conducție printr-o "scufundare". Pentru ca electronii să traverseze zona interzisă, o anumită energie trebuie transmisă substanței. Dielectricele diferă de semiconductori numai prin dimensiunea „scufundării”. Pentru primul, este mai mult de 3 eV. Dar, în medie, semiconductorii au un interval de bandă de 1 până la 2 eV. Dacă decalajul este mai mare, atunci substanța se numește semiconductor cu decalaj larg și este utilizată cu precauție.
Pentru a înțelege care sunt caracteristicile conductivității intrinseci și impurității semiconductoarelor, trebuie mai întâi să aflăm care sunt tipurile sale.
Am spus deja că un semiconductor estecristal. Aceasta înseamnă că rețeaua sa constă din elemente identice periodice. Iar electronii săi trebuie „aruncați” în banda de conducere, astfel încât să curgă un curent prin substanță. Dacă electronii se deplasează prin volumul cristalului, aceasta este conductivitatea electronică. Este notată ca n-conductivitate (din prima literă a cuvântului englez negativ, adică „negativ”). Dar există și un alt tip.
Imaginați-vă că într-un anumit sistem periodiclipsește un articol. De exemplu, există mingi de tenis într-un coș. Acestea sunt aranjate în straturi egale, identice: fiecare are un număr egal de bile. Dacă scoateți o minge, se formează un gol, o gaură în structură. Toate bilele din jur vor încerca să umple golul: un element din stratul superior va umple locul celui lipsă. Și așa mai departe, până când se stabilește echilibrul. Dar, în același timp, gaura se va deplasa și - în direcția opusă, în sus. Și dacă inițial suprafața bilelor din coș a fost plană, atunci după mișcările din rândul superior se formează o gaură în locul unei mingi lipsă.
La fel este și cu electronii din semiconductori:dacă electronii se deplasează către polul pozitiv al tensiunii, atunci golurile rămase în locul lor se deplasează către polul negativ. Aceste cvasiparticule opuse se numesc „găuri” și au o sarcină pozitivă.
Dacă găurile predomină într-un semiconductor, atunci mecanismul se numește conductivitate p (din prima literă a cuvântului englez pozitiv, adică „pozitiv”).
Când o persoană aude cuvântul „necurăție”, atunci mai destotul implică ceva nedorit. De exemplu, „un amestec de substanțe toxice în apă”, „un amestec de amărăciune în bucuria triumfului”. Dar impuritatea este, de asemenea, ceva mic, nesemnificativ.
În cazul semiconductoarelor, acest cuvânt aremai degrabă a doua semnificație decât prima. Pentru a spori unul dintre tipurile de conductivitate, un atom poate fi introdus în cristal, care va dona electroni (donator) sau îi va lua (acceptor). Uneori este nevoie de o cantitate mică de materie străină pentru a crește un fel de curent.
Astfel, conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductoarelor sunt fenomene similare. Aditivul îmbunătățește doar calitatea deja existentă a cristalului.
Tipul de conductivitate pentru cristale este important, dar în practică se folosește o combinație a acestora.
La joncțiunea semiconductoarelor de tip n și pse creează un strat de particule pozitive și negative. Dacă curentul este conectat corect, atunci taxele se vor compensa reciproc, iar electricitatea va curge în circuit. Dacă polii sunt conectați în direcția opusă, atunci particulele încărcate diferit se vor „bloca” reciproc în jumătate și nu va exista curent în sistem.
Astfel, o mică bucată de siliciu dopat poate deveni o diodă pentru rectificarea unui curent electric.
Un element care conține două tipuri de semiconductori poate acționa și ca tranzistor pentru acționarea și amplificarea curentului.
După cum am arătat mai sus, joacă un rol cheie înconductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor. Dispozitivele semiconductoare au devenit mult mai mici decât dispozitivele tubulare. Această descoperire tehnologică a făcut posibilă realizarea a mult din ceea ce oamenii de știință au prezis teoretic, dar nu au putut fi puse în practică pentru moment datorită dimensiunii mari a echipamentului.
Zborul spațial a devenit unul dintre cele mai importanteposibilitățile oferite de semiconductori. Până în anii șaizeci ai secolului al XX-lea, acest lucru nu a fost fezabil din simplul motiv că controlul rachetei a fost conținut în dispozitive de lampă incredibil de grele și fragile. Nicio altă metodă nu ar putea ridica un astfel de colos fără vibrații și sarcini. Iar descoperirea conductivității siliciului și a germaniei a făcut posibilă reducerea greutății elementelor de control și a le face mai solide și mai durabile.
