Lastna in nečistoča prevodnosti polprevodnikov: značilnosti

Danes vam bomo povedali, kakšna je notranja in nečistoča prevodnosti polprevodnikov, kako se pojavlja in kakšno vlogo ima v sodobnem življenju.

Atom in teorije bandov

V začetku dvajsetega stoletja so znanstveniki ugotovili, da atom ni najmanjši delec snovi. Ima svojo kompleksno strukturo, njeni elementi pa v skladu s posebnimi zakoni.

Na primer, izkazalo se je, da se lahko elektrone nahajajo le na določenih razdaljah do jedra - orbitalov. Prehodi med temi stanjami nastanejo s kroženjem s sproščanjem ali absorpcijo kvanta elektromagnetnega polja. Da bi razložili mehanizem inherentne in nečistoče prevodnosti polprevodnikov, moramo najprej razumeti strukturo atoma.

Dimenzije in oblike orbitalov določajo valovne lastnosti elektronov. Kot val, ima ta delec obdobje in ko se vrti okoli jedra, se "prekriva" sama. Le če val ne zaustavi lastne energije, lahko elektron obstaja že dolgo časa. Zato je posledica: dlje od jedra, ki je nivo, je manjša razdalja med tem in prejšnjim orbitalom.

Rešetka v trdnem stanju

Fizika pojasnjuje notranjo in nečistočo prevodnost polprevodnikov s "kolektivnimi" enakimi orbitali, ki se pojavijo v trdnem stanju. Pod trdnim telesom ne pomeni skupnega stanja, temveč zelo konkretnega izraza. To je ime snovi s kristalinično strukturo ali amorfnim telesom, ki je lahko kristalen. Na primer, led in marmor sta trdo telo, les in glina pa nista.

V kristalu je mnogo podobnih atomov, okoli istih elektronov pa se vrtita v istih orbitalih. In tu je majhen problem. Elektron spada v razred fermionov. To pomeni, da ne more biti dveh delcev v popolnoma enakih pogojih. In kaj storiti v tem primeru trdno telo?

Narava je našla osupljivo preprostost: vsi elektroni, ki pripadajo istim orbitalom enega atoma v kristalu, se rahlo razlikujejo v energiji. Razlika je neverjetno majhna in zdi se, da so vsi orbitali "stisnjeni" v eno neprekinjeno energijsko cono. Med območji ležijo veliki dipi - kraji, kjer elektronov ni mogoče. Te vrzeli se imenujejo "prepovedano".

Kako se polprevodnik razlikuje od prevodnika in dielektrika?

Med vsemi območji enega trdnega telesa sta dva ločena. V enem (najvišjem) elektronu se lahko prosto gibljejo, niso "pritrjeni" na njihove atome in se premikajo z mesta na mesto. To se imenuje conduction band. Takšna regija v kovinih neposredno pride v stik z vsemi ostalimi in vzbudi elektrone, zato ne potrebuje veliko energije.

Toda druge snovi so drugačne: elektroni se nahajajo v valenčnem pasu. Tam so povezani z njihovimi atomi in jih ne morejo zapustiti. Valenčni pas je ločen od pasu prevodnosti z "neuspehom". Da bi elektrone presegle prepovedani pas, mora biti snov dana določena energija. Dielektriki se razlikujejo od polprevodnikov samo v velikosti "dip". Na začetku je več kot 3 eV. Toda v povprečju za polprevodnike je širina prepovedanega pasu od 1 do 2 eV. Če je vrzel večja, se snov imenuje širokopasovni polprevodnik in se uporablja previdno.

Vrste prevodnosti polprevodnikov

Da bi razumeli, kakšne so lastnosti inherentne in nečistoče prevodnosti polprevodnikov, je najprej treba ugotoviti, katere vrste polprevodnikov obstajajo.

Sem že povedal, da je polprevodnik kristal. Zato je njegova mreža sestavljena iz periodičnih identičnih elementov. In njegovi elektroni morajo biti "vrženi" v cono prevodnosti, tako da tok teče skozi snov. Če se elektrone gibljejo po prostornini kristala, je to elektronska prevodnost. Označi se kot n-prevodnost (od prve črke angleške besede negativno, to je "negativno"). Ampak obstaja še en tip.

Predstavljajte si, da v določenem periodičnem sistemu ni nobenega elementa. Na primer, ležite v košarici teniških kroglic. Urejeni so v enakih enakih plasteh: vsak ima enako število kroglic. Če se vzame ena krogla, se v strukturi tvori votla luknja. Vse okoliške kroglice bodo poskušale zapolniti vrzel: en element iz zgornje plasti bo ležal na mestu manjkajočega. In tako naprej, dokler se ne vzpostavi ravnotežje. Toda v tem primeru se bo luknja premikala tudi v nasprotni smeri navzgor. In če je bila prvotna površina kroglic v košari ravna, potem se po premikih v zgornji vrsti namesto ene manjkajoče kroglice oblikuje luknja.

Podobno tudi z elektroni v polprevodnikih: če se elektroni premaknejo v pozitivno napetostni pol, se praznine, ki ostanejo na svojem mestu, premaknejo na negativni pol. Ti nasprotni kvazipuli so imenovani "luknje" in imajo pozitivno naboj.

Če v polprevodniku prevladujejo luknje, se mehanizem imenuje p-prevodnost (od prve črke angleške besede pozitivna, to je "pozitivna").

Nečistost: naključnost ali težnja?

Ko oseba sliši besedo "primesi", nekaj bolj pogosto pomeni nekaj nezaželenega. Na primer, "mešanica strupenih snovi v vodi", "mešanica grenkobe v veselje zmage". Toda nečistost je tudi nekaj majhna, nepomembna.

V Ljubljani primeru polprevodnikov Ta beseda ima drug pomen in ne prvi. Da bi okrepili eno od vrst prevodnosti, se lahko v kristal uvede atom, ki bo oddajal elektrone (darovalce) ali jih vzel (akceptor). Včasih je za povečanje neke vrste toka potrebna manjša količina tujih snovi.

Tako je intrinsična in nečistoča prevodnost polprevodnikov podobni pojavi. Dodatek samo krepi že obstoječo kakovost kristala.

Uporaba dopiranih polprevodnikov

Vrsta prevodnosti za kristale je pomembna, vendar v praksi uporabite njihovo kombinacijo.

Na stičišču polprevodnikov n- in p-tipa nastane plast pozitivnih in negativnih delcev. Če je tok pravilno priključen, se bodo nadomestila medsebojno nadomestila in električna energija se bo v tokokrogu. Če so polovi povezani v nasprotni smeri, se napolnjeni delci med seboj "zaklenejo" in v trenutnem sistemu ne bo nobenega toka.

Tako lahko majhen kos dopiranega silicija postane dioda za odpravo električnega toka.

Element, ki obsega polprevodnik dveh tipov, lahko služi tudi kot tranzistor za krmiljenje in ojačanje toka.

Kot smo prikazali zgoraj, ima notranja in nečistoča prevodnost ključno vlogo v polprevodniku. Polprevodniške naprave so postale veliko manjše od svetilk. Ta tehnološki prodor je omogočil doseganje večine tega, kar so znanstveniki napovedali teoretično, vendar ga je bilo mogoče zaradi prave velikosti opreme nemogoče izvesti v praksi.

Silicij in vesolje

Letenje v vesolje je postalo ena od najpomembnejših priložnosti, ki so na voljo zahvaljujoč polprevodnikom. Do šestdesetih dvajsetega stoletja je bilo to neizvedljivo zaradi preprostega razloga, da je nadzor nad projektilom vseboval neverjetno težke in občutljive cevne naprave. Noben način ne bi mogel dvigniti takega stroja brez vibracij in obremenitev. In odkritje prevodnosti silicija in germanija je omogočilo zmanjšanje teže kontrolnih elementov in njihovo trdnejšo in trajnejšo.