Полупроводник - это очень просто. Часть 1: Классификация.

Полупроводник - это очень просто. Часть 1: Классификация.

Введение.

Все пользуются электроникой, но мало кто понимает, как она работает.

Мы живём в обществе, зависимом от науки и технологии, в котором никто ничего не знает ни о науке, ни о технологии. Карл Саган

Если для вас полупроводник это нечто такое:

Классификация.

Все вещества, по их способности проводить электрический ток, условно можно разделить на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводимость (способность вещества проводить электрический ток или, другими словами, величина обратная сопротивлению) выше всего у металлов, ниже всего у диэлектриков.

Полупроводник занимает промежуточное значение.

Для объяснения всех типов проводимости используют так называемую зонную теорию.

Зонная теория.

Всем нам известна старая добрая модель атома, в котором в центре находится ядро, несущее положительный заряд, а вокруг него кружат по различным орбитам электроны, несущие отрицательный заряд. Это модель атома Бора.

Модель атома Бора.

Электроны в атоме расположены на различных орбитальных уровнях, характеризующихся различной удаленностью от ядра и, соответственно, различной энергией связи электрона с ядром. Но так как твёрдое тело - это огромное скопление атомов, образующих кристаллическую решётку, то очевидно, что атомы будут влиять друг на друга и друг с другом взаимодействовать. Вследствие этого орбиты электронов претерпевают некоторую деформацию, что вызывает смещение энергетических уровней и электронов на них.

Другими словами электрон одного атома притягивается к ядру другого атома и отталкивается от его электронов.

С другой стороны, два электрона, в силу принципа Паули, не могут находиться на одной орбите в одном и том же энергетическом состоянии. Иначе говоря два любых электрона в любом случае находятся на несколько отличающихся друг от друга энергетических уровнях.

Принцип Паули говорит о том, что 2 электрона не могут быть в одинаковых состояниях на одном уровне. Представьте себе вечеринку девушек, которые все пришли в одинаковых нарядах. Они будут фыркать друг на друга и стараться разойтись подальше, чтобы друг с другом не взаимодействовать.

Таким образом можно сказать, что каждый энергетический уровень в атоме твёрдого тела " расщепляется" на множество подуровней, образуя энергетическую зону, в пределах которой возможно перемещение электронов. Электроны, находящиеся в такой зоне, обладают очень близкими энергиями. Электроны, которые находятся близко к ядру не могут перескочить к соседнему атому, так как все " нижние" орбиты полностью заполнены и на них нет свободного места.

Зона, которая образованна внешним слоем электронной оболочки называется валентной. Этот слой, естественно, разделён на подуровни, так как мы находимся внутри твёрдого тела, в котором много взаимодействующих атомов. Внешняя оболочка у большинства веществ не заполнена и имеет притягательные вакантные места для электронов другого атома. В этом случае наблюдается потрясающая подвижность и электроны носятся от оболочки к оболочке.

Так как орбиты атома дискретны, то существуют значения энергии, которые электрон иметь не может. Совокупность этих энергий называется запрещённой зоной.

Если приложить внешнее напряжение, то электроны получат дополнительную энергию для преодоления запрещённой зоны и могу перейти в зону проводимости - первую незаполненную электронами зону.

Структура зон.

Так как приложено внешнее напряжение, то электроны буду двигаться в одном направлении, образуя электрический ток.

Механизм протекания тока.

Теперь мы вплотную подошли к объяснению проводимости твёрдых тел. В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрываются, запрещённая зона как бы отсутствует. Электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости и даже при нулевой температуре возможен ток.

В диэлектриках размер запрещённой зоны достаточно велик (велики межатомные расстояния) и вероятность перехода из валентной зоны в зону проводимости крайне мала. Ток отсутствует.

В полупроводниках запрещённая зона имеет такое значение, что при ненулевой температуре электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости. Чем выше температура, тем больше вероятность перехода, тем выше ток. Следовательно проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Типичными примерами полупроводников являются Si, Ge, As (кремний, германий, мышьяк и др). В следующей статье мы разберём типы полупроводников.