Сьогодні ми розповімо, що таке власна і домішкових провідність напівпровідників, як вона виникає і яку роль відіграє в сучасному житті.
На початку двадцятого століття вчені з'ясували, що атом - це не найменша частинка речовини. Він має свою складну структуру, а його елементи взаємодіють за особливими законами.
Наприклад, з'ясувалося, що електрони можутьперебувати тільки на певних відстанях до ядра - орбіталях. Переходи між цими станами відбуваються ривком з виділенням або поглинанням кванта електромагнітного поля. Щоб пояснити механізм власної та домішкової провідності напівпровідників, треба спочатку розібратися з будовою атома.
Розміри і форми орбіталей визначаються хвильовимивластивостями електрона. Як і хвиля, ця частка має період, і коли обертається навколо ядра, він «накладається» сам на себе. Тільки там, де хвиля не пригнічує власну енергію, електрон може існувати тривалий час. Звідси випливає наслідок: чим далі від ядра знаходиться рівень, тим менше відстань між цією і попередньою орбиталью.
Власну і примесную провідністьнапівпровідників фізика пояснює «колективом» однакових орбіталей, який виникає в твердому тілі. Під твердим тілом на увазі не агрегатний стан, а цілком конкретний термін. Так називається речовина з кристалічною будовою або аморфне тіло, яке потенційно може бути кристалічним. Наприклад, лід і мармур - це тверде тіло, а дерево і глина - немає.
У кристалі існує дуже багато схожихатомів, і навколо кожного обертаються однакові електрони на тих же орбиталях. І тут є невелика проблема. Електрон відноситься до класу ферміонів. Це означає, що двох частинок в абсолютно однакових станах бути не може. І що робити в цьому випадку твердого тіла?
Природа знайшла приголомшливий по простоті вихід: всі електрони, які належать одній орбіталі одного атома в кристалі, трохи відрізняються по енергії. Різниця ця неймовірно маленька, і все орбіталі як би «спресовуються» в одну безперервну енергетичну зону. Між зонами лежать великі провали - такі місця, де електрони не можуть знаходитися. Ці прогалини називаються «забороненими».
Серед всіх зон одного твердого тіла виділяютьсядві. В одній (самої верхньої) електрони можуть вільно рухатися, вони не «прив'язані» до своїх атомам і переходять з місця на місце. Це називається зоною провідності. В металах така область безпосередньо стикається з усіма іншими, і щоб порушити електрони, не потрібно витрачати велику енергію.
Але у інших речовин все інакше: електрони розташовуються в валентної зоні. Там вони пов'язані зі своїми атомами і не можуть просто так покинути їх. Валентна зона відділяється від зони провідності «провалом». Щоб електрони могли подолати заборонену зону, речовини треба повідомити певну енергію. Діелектрики відрізняються від напівпровідників тільки розміром «провалу». У перших він більше, ніж 3 еВ. Але в середньому у напівпровідників ширина забороненої зони становить від 1 до 2 еВ. Якщо розрив більше, то речовина називається ширококутного напівпровідник і використовується з обережністю.
Щоб зрозуміти, які особливості своєї зрілості й примесной провідності напівпровідників, треба спочатку дізнатися, які бувають її види.
Ми вже розповіли, що напівпровідник - цекристал. Значить, його решітка складається з періодичних однакових елементів. І його електрони треба «закинути» в зону провідності, щоб по речовині потік струм. Якщо за обсягом кристала рухаються саме електрони - це електронна провідність. Вона позначається як n-провідність (від першої літери англійського слова negative, тобто «негативний»). Але буває й інший тип.
Уявіть, що в якійсь періодичної системіодин елемент відсутній. Наприклад, лежать в кошику тенісні м'ячики. Вони розташовані рівними однаковими шарами: в кожному рівну кількість куль. Якщо один м'яч вийняти, в конструкції утворюється порожнеча, дірка. Всі навколишні кулі постараються заповнити пробіл: один елемент з верхнього шару ляже на місце відсутнього. І так далі, поки не встановиться рівновага. Але при цьому і дірка стане теж рухатися - в протилежному напрямку, вгору. І якщо спочатку поверхню куль в кошику була рівною, то після переміщень в верхньому ряду утворюється дірка на місці одного відсутнього м'яча.
Так само і з електронами в напівпровідниках: якщо електрони рухаються до позитивного полюса напруги, то що залишилися на їх місці порожнечі рухаються до негативного полюса. Ці протилежні квазічастинки називаються «дірки», і вони мають позитивний заряд.
Якщо в напівпровіднику переважають дірки, то механізм називається p-провідністю (від першої літери англійського слова positive, тобто «позитивний»).
Коли людина чує слово «домішка», то частішевсе мається на увазі щось небажане. Наприклад, «домішка токсичних речовин у воді», «домішка гіркоти в радості тріумфу». Але домішка - це ще і щось маленьке, незначне.
У разі напівпровідників дане слово маєскоріше другий сенс, ніж перший. Щоб підсилити один з типів провідності, в кристал можна ввести атом, який віддасть електрони (донор), або забере їх (акцептор). Часом потрібна незначна кількість чужорідної речовини, щоб збільшити якийсь вид струму.
Таким чином, власна і домішкових провідність напівпровідників - це схожі явища. Добавка тільки підсилює вже існуюче якість кристала.
Вид провідності для кристалів важливий, але на практиці використовують їх комбінацію.
У місці з'єднання напівпровідників n- і p-типустворюється прошарок з позитивних і негативних частинок. Якщо струм підключити правильно, то заряди компенсують один одного, і в ланцюзі піде електрику. Якщо полюса підключити в зворотному напрямку, то різнозаряджені частки «замкнуть» один одного на своїй половині, і в системі струму не буде.
Таким чином, маленький шматочок легованого кремнію здатний стати діодом для випрямлення електричного струму.
Елемент, що містить напівпровідник двох типів, може також виконувати функцію транзистора для управління і посилення струму.
Як ми показали вище, ключову роль відіграє вполупроводнике власна і домішкових провідність. Напівпровідникові прилади стали набагато менше в розмірах, ніж лампові пристрої. Цей технологічний прорив дозволив зробити багато чого з того, що вчені передбачили теоретично, але не можна було до пори до часу здійснити на практиці через великі розмірів обладнання.
Політ в космос став однією з найважливішихможливостей, доступних завдяки напівпровідників. До шістдесятих років двадцятого століття це було нездійсненно з тієї простої причини, що управління ракети містилося в неймовірно важких і тендітних лампових приладах. Жоден спосіб не міг підняти таку махину без вібрацій і навантажень. А відкриття кремнієвої та германієвої провідності дало можливість зменшити вагу керуючих елементів і зробити їх більш цільними і міцними.
