Conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor: caracteristici

Astăzi vă vom spune care este conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor, cum apar și ce rol joacă în viața modernă.

Atom și teoria benzilor

La începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință au descoperit că un atom nu este cea mai mică particulă a materiei. Are o structură complexă proprie, iar elementele sale interacționează în conformitate cu legi specifice.

De exemplu, sa dovedit că electronii pot fi localizați numai la anumite distanțe față de orbitele nucleului. Tranzițiile dintre aceste stări apar cu eliberarea sau absorbția unei cuanții a câmpului electromagnetic. Pentru a explica mecanismul conductivității intrinseci și impurității semiconductorilor, trebuie să înțelegem mai întâi structura atomului.

Dimensiunile și formele orbitalilor sunt determinate de proprietățile undei electronului. Ca și valul, această particulă are o perioadă, iar când se rotește în jurul nucleului, ea se "se suprapune". Numai în cazul în care valul nu suprimă propria sa energie, electronul poate exista pentru o lungă perioadă de timp. Prin urmare, consecința: mai departe de nucleul nivelului este, cu atât mai mică este distanța dintre acesta și orbita precedentă.

Lattice într-un solid

Fizica explică conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor de "colectivul" orbitalilor identici, care apar într-un solid. Sub un corp solid nu se înțelege o stare agregată, ci un termen foarte concret. Acesta este numele unei substanțe cu structură cristalină sau a unui corp amorf, care poate fi cristalină. De exemplu, gheața și marmura sunt un corp solid, iar lemnul și lutul nu sunt.

Într-un cristal există mulți atomi asemănători și în jurul acelorași electroni se rotesc în aceleași orbite. Și aici există o mică problemă. Electronul face parte din clasa de fermioane. Aceasta înseamnă că nu pot exista două particule în exact aceleași stări. Și ce să facem în acest caz un corp solid?

Natura a găsit uimitoare în randamentul său simplitate: toți electronii care se află în același orbital al unui atom în cristal, ușor energii diferite. Diferența este incredibil de mică și toate orbitele par a fi "comprimate" într-o zonă de energie continuă. Între zone se află scufundări mari - locuri unde electronii nu pot fi. Aceste lacune sunt numite "interzise".

Cum diferă un semiconductor de un conductor și de un dielectric?

Dintre toate zonele unui corp solid, două sunt distinse. Într-un electron (cel mai de sus) se poate mișca liber, nu este "atașat" la atomii săi și se mișcă din loc în loc. Aceasta se numește banda de conducere. În metale, o astfel de regiune intră direct în contact cu toate celelalte și pentru a excita electronii, nu consumă prea multă energie.

Dar alte substanțe sunt diferite: electronii sunt situați în banda de valență. Acolo ei sunt conectați cu atomii lor și nu pot să-i lase doar. Banda de valență este separată de banda de conducere printr-un "eșec". Pentru ca electronii să depășească banda interzisă, substanța trebuie să primească o anumită energie. Dielectricii diferă de semiconductori numai în mărimea unui "dip". La prima este mai mare de 3 eV. Dar, în medie, pentru semiconductori, lățimea benzii interzise este de la 1 la 2 eV. Dacă decalajul este mai mare, atunci substanța se numește semiconductor cu undă largă și se folosește cu prudență.

Tipuri de conductivitate a semiconductorilor

Pentru a înțelege care sunt caracteristicile conductivității intrinseci și impurității semiconductorilor, este mai întâi necesar să aflăm ce tipuri de semiconductori există.

V-am spus deja că un semiconductor este un cristal. Prin urmare, grâul său constă în elemente periodice identice. Iar electronii ei trebuie "aruncați" în banda de conducție, astfel încât curentul să curgă prin substanță. Dacă electronii se mișcă prin volumul cristalului, aceasta este conducerea electronică. Este notată ca n-conductivitate (de la prima literă a cuvântului englez negativ, adică "negativă"). Dar există și un alt tip.

Imaginați-vă că nu există niciun element într-un anumit sistem periodic. De exemplu, se află într-un coș de mingi de tenis. Ele sunt aranjate în straturi egale egale: fiecare are un număr egal de bile. Dacă se scoate o minge, în structură se formează o gaură goală. Toate bilele înconjurătoare vor încerca să umple golul: un element din stratul superior va sta în locul celui lipsă. Și așa mai departe, până la stabilirea echilibrului. Dar, în acest caz, și gaura se va muta, de asemenea, în direcția opusă, în sus. Și dacă inițial suprafața bilelor din coș a fost netedă, după deplasările din rândul superior se formează o gaură în locul unei mingi lipsă.

In mod similar, electronii în semiconductori, în cazul în care electronii muta la polul pozitiv al tensiunii, apoi rămase în loc golurile sale muta la polul negativ. Aceste quasiparticule opuse sunt numite "găuri" și au o încărcătură pozitivă.

Dacă găurile predomină într-un semiconductor, atunci mecanismul se numește p-conductivitate (de la prima literă a cuvântului englez pozitiv, adică "pozitiv").

Impuritate: aleatorie sau aspirație?

Când o persoană aude cuvântul "adiție", ceva mai des se numește ceva nedorit. De exemplu, "un amestec de substanțe toxice în apă", "o adiție de amărăciune în bucuria triumfului". Dar impuritatea este, de asemenea, ceva mic, nesemnificativ.

În caz de semiconductori Acest cuvânt are un al doilea sens, mai degrabă decât primul. Pentru a îmbunătăți un tip de conductivitate în cristal poate introduce atom care dau electroni (donor) sau le (acceptor) ia. Uneori, o cantitate mică de substanțe străine este necesară pentru a crește un fel de curent.

Astfel, conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor sunt fenomene similare. Aditivul doar consolidează calitatea deja existentă a cristalului.

Utilizarea semiconductorilor dopați

Tipul de conductivitate pentru cristale este important, dar în practică folosiți o combinație a acestora.

La joncțiunea semiconductorilor de tip n și p, se creează un strat de particule pozitive și negative. Dacă curentul este conectat corect, încărcăturile se vor compensa reciproc, iar curentul electric va curge în circuit. Dacă polii sunt conectați în direcția opusă, particulele încărcate se vor "bloca" reciproc în jumătatea lor și nu va exista curent în sistemul actual.

Astfel, o mică bucată de siliciu dopat poate deveni o diodă pentru rectificarea unui curent electric.

Un element care cuprinde un semiconductor de două tipuri poate servi, de asemenea, ca un tranzistor pentru controlul și amplificarea curentului.

După cum am arătat mai sus, conductivitatea intrinsecă și impuritatea joacă un rol-cheie în semiconductori. Dispozitivele semiconductoare au devenit mult mai mici decât dispozitivele cu lămpi. Această descoperire tehnologică a făcut posibilă realizarea multor lucruri pe care oamenii de știință le-au prezis teoretic, însă a fost imposibil de implementat în practică datorită dimensiunii mari a echipamentului.

Siliciu și spațiu

Zborul în spațiu a devenit una dintre cele mai importante oportunități disponibile datorită semiconductorilor. Până în anii șaizeci ai secolului al XX-lea, acest lucru nu era posibil pentru simplul motiv că controlul rachetei a fost conținut în dispozitive de tub incredibil de grele și fragile. Nici un fel nu ar putea ridica o astfel de mașină fără vibrații și încărcături. Și descoperirea conductivității de siliciu și germaniu a făcut posibilă reducerea greutății elementelor de control și a le face mai solide și durabile.