Данас ћемо вам рећи која је унутрашња и нечистоћна проводљивост полупроводника, како настају и коју улогу игра у савременом животу.
Почетком двадесетог века научници су схватили да атом није најмања честица материје. Има своју сложену структуру, а њени елементи међусобно делују у складу са посебним законима.
На пример, испоставило се да електрони могубити само на одређеним растојањима од језгра - орбитала. Прелази између ових стања настају трзајем са ослобађањем или апсорпцијом кванта електромагнетног поља. Да би се објаснио механизам унутрашње и нечистоће проводљивости полупроводника, прво се мора разумети структура атома.
Величине и облици орбитала одређују се таласним облицимасвојства електрона. Попут таласа, ова честица има период, а када се окреће око језгра, она се „преклапа“. Само тамо где талас не потискује сопствену енергију, електрон може да постоји дуго. Отуда последица: што је ниво даље од језгра, то је мања удаљеност између ове и претходне орбитале.
Сопствена проводљивост и проводљивост нечистоћафизика објашњава полупроводнике „колективом“ идентичних орбитала, који настаје у чврстом телу. Круто тело не значи агрегатно стање, већ врло специфичан појам. Ово је назив супстанце кристалне структуре или аморфног тела које потенцијално може бити кристално. На пример, лед и мермер су чврсти, али дрво и глина нису.
У кристалу има много сличних.атома, а исти електрони се окрећу око сваког у истим орбиталама. И овде постоји мали проблем. Електрон припада класи фермиона. То значи да не могу бити две честице у потпуно истим стањима. А шта у овом случају треба да ради чврсто тело?
Природа је пронашла излаз из запањујуће једноставности:сви електрони који припадају истој орбитали једног атома у кристалу се мало разликују у енергији. Ова разлика је невероватно мала и све орбитале су као да су „утиснуте“ у једну непрекидну енергетску зону. Између зона постоје велике празнине - места где електрони не могу бити. Ти се простори називају „забрањеним“.
Међу свим зонама једног чврстог тела,два. У једном (најгорњем) електрони се могу слободно кретати, нису „везани“ за своје атоме и померају се са места на место. Ово се назива проводни опсег. У металима је такав регион у директном контакту са свим осталима, а да би побудио електроне није потребно трошити пуно енергије.
Али са другим супстанцама је све другачије:електрони се налазе у валентном појасу. Тамо су повезани са својим атомима и не могу их тек тако напустити. Валентни опсег је од проводног појаса одвојен „умакањем“. Да би електрони прешли забрањену зону, супстанци се мора предати одређена енергија. Диелектрика се разликује од полупроводника само по величини "намочења". За прве је више од 3 еВ. Али у просеку, полупроводници имају размак у опсегу од 1 до 2 еВ. Ако је размак већи, тада се супстанца назива полупроводником са широким размаком и користи се опрезно.
Да бисмо разумели које су карактеристике сопствене и нечистоћне проводљивости полупроводника, прво морамо сазнати које су његове врсте.
Већ смо рекли да је полупроводникКристал. То значи да се његова решетка састоји од периодично идентичних елемената. И његови електрони морају бити „бачени“ у проводни појас тако да струја тече кроз супстанцу. Ако се електрони крећу кроз запремину кристала, ово је електронска проводљивост. Означава се као н-проводљивост (од првог слова енглеске речи негативе, односно „негативан“). Али постоји и друга врста.
Замислите то у одређеном периодичном системунедостаје један предмет. На пример, у корпи се налазе тениске лоптице. Сложени су у равномерне, идентичне слојеве: сваки има једнак број куглица. Ако извадите једну куглу, у структури се ствара празнина, рупа. Све околне куглице покушаће да попуне празнину: један елемент из горњег слоја доћи ће на место недостајућег. И тако редом, све док се не успостави равнотежа. Али истовремено ће се и рупа померити - у супротном смеру, горе. А ако је у почетку површина куглица у кошари била равна, онда се након покрета у горњем реду на месту једне недостајуће лопте формира рупа.
Тако је и са електронима у полупроводницима:ако се електрони преселе на позитивни пол напона, онда се празнине које остају на њиховом месту померају на негативни пол. Те супротне квазичестице називају се „рупе“ и имају позитиван набој.
Ако у полупроводнику превладавају рупе, онда се механизам назива п-проводљивост (од првог слова енглеске речи поситиве, односно „позитиван“).
Када човек чује реч „нечистоћа“, тада чешћеу свему се подразумева нешто непожељно. На пример, „примеса токсичних супстанци у води“, „примеса горчине у радости тријумфа“. Али нечистоћа је такође нешто мало, безначајно.
У случају полупроводника, ова реч иманего друго значење него прво. Да би се побољшала једна од врста проводљивости, у кристал се може увести атом који ће донирати електроне (донор) или их однети (акцептор). Понекад је потребна мала количина страних материја да би се повећала нека врста струје.
Дакле, својствена проводљивост полупроводника и нечистоћа су слични феномени. Адитив само побољшава већ постојећи квалитет кристала.
Тип проводљивости за кристале је важан, али у пракси се користи њихова комбинација.
На споју полупроводника типа н и пствара се слој позитивних и негативних честица. Ако је струја правилно повезана, наелектрисања ће се међусобно надокнадити, а струја ће тећи у кругу. Ако су полови повезани у супротном смеру, тада ће се различито наелектрисане честице међусобно „закључати“ у своју половину и у систему неће бити струје.
Тако мали комад допираног силицијума може постати диода за исправљање електричне струје.
Елемент који садржи две врсте полупроводника такође може деловати као транзистор за покретање и појачавање струје.
Као што смо горе показали, он игра кључну улогу усопствена полупроводничка проводљивост и проводљивост нечистоћа. Полупроводнички уређаји постали су много мањи од цевних уређаја. Овај технолошки пробој омогућио је постизање већег дела онога што су научници предвиђали теоретски, али засад није могао да се примени у пракси због велике величине опреме.
Свемирски лет је постао један од најважнијихмогућности које нуде полупроводници. Све до шездесетих година двадесетог века, то није било изводљиво из простог разлога што је контрола ракете садржана у невероватно тешким и крхким лампама. Ниједна друга метода не би могла подићи такав колос без вибрација и терета. А откриће проводљивости силицијума и германијума омогућило је смањење тежине управљачких елемената и учинило их чврстијим и трајнијим.
