Intrinzična i nečistoća vodljivost poluvodiča: značajke

Danas ćemo vam reći koja je intrinzična i nečistoća vodljivost poluvodiča, kako se ona javlja i koja uloga igra u modernom životu.

Atoma i teorije benda

Početkom dvadesetog stoljeća znanstvenici su otkrili da atom nije najmanji čestica materije. Ima svoju složenu strukturu, a njegovi elementi djeluju u skladu s posebnim zakonima.

Na primjer, ispostavilo se da se elektroni mogu nalaziti samo na određenim udaljenostima od jezgre - orbita. Prijelazi između tih stanja javljaju se s otpuštanjem ili apsorpcijom kvantnog elektromagnetskog polja. Da bismo objasnili mehanizam unutarnje i nečistoće vodljivosti poluvodiča, prvo moramo razumjeti strukturu atoma.

Dimenzije i oblici orbita određeni su svojstvima valova elektrona. Poput vala, ova čestica ima razdoblje, a kada se okreće oko jezgre, ona se "preklapa". Samo tamo gdje val ne potiskuje vlastitu energiju, elektron može postojati dulje vrijeme. Stoga posljedica: što je dalje od jezgre razina, to je manja udaljenost između ovog i prethodnog orbita.

Rešetka u krutom stanju

Fizika objašnjava unutarnju i nečistoću vodljivost poluvodiča pomoću "kolektivnog" identičnih orbitala, što se javlja u čvrstom stanju. Pod čvrstim tijelom ne misli se na agregatno stanje, već na vrlo konkretan pojam. Ovo je naziv tvari s kristalnom strukturom ili amorfnim tijelom, koje mogu potencijalno biti kristalne. Na primjer, led i mramor su čvrsto tijelo, a drvo i glina nisu.

U kristalu postoje mnogi slični atomi, a oko istih elektrona rotiraju se u istim orbitalima. I ovdje je mali problem. Electron pripada klasi fermiona. To znači da ne postoje dvije čestice u točno istim stanjima. A što učiniti u ovom slučaju čvrsto tijelo?

Priroda je pronašla zapanjujuću jednostavnost: svi elektroni koji pripadaju istim orbitalima jednog atoma u kristalu, malo se razlikuju u energiji. Razlika je nevjerojatno mala, a svi orbitali izgleda da su "komprimirani" u jednu kontinuiranu energetsku zonu. Između zona nalaze se velike uranke - mjesta gdje elektroni ne mogu biti. Ove praznine nazivaju se "zabranjene".

Kako se poluvodič razlikuje od vodiča i dielektričnog?

Među svim zonama jednog čvrstog tijela, dva se razlikuju. U jednom (najgornjem) elektronu se mogu slobodno kretati, nisu "pričvršćeni" na svoje atome i kretali se od mjesta do mjesta. To se zove provodni pojas. U metalima, takva regija izravno dolazi u dodir sa svim ostalima, i uzbuđuje elektrone, ne uzima puno energije.

Ali druge tvari su različite: elektroni se nalaze u valenciji. Tamo su povezani s njihovim atomima i ne mogu ih samo napustiti. Valentni pojas je odvojen od vodljivog pojasa "neuspjehom". Da bi se elektroni prevladali zabranjenom traku, tvar treba dati određenu energiju. Dielektrici se razlikuju od poluvodiča samo u veličini "umočenja". Prvo je više od 3 eV. No, u prosjeku za poluvodiče širina zabranjene trake je od 1 do 2 eV. Ako je rupica veća, tvar se naziva širokog jaznog poluvodiča i koristi se s oprezom.

Vrste vodljivosti poluvodiča

Da biste razumjeli što su karakteristike intrinzične i nečistoće vodljivosti poluvodiča, prvo je potrebno saznati koje vrste poluvodiča postoje.

Već smo vam rekli da je poluvodič kristal. Dakle, njegova rešetka sastoji se od periodičkih identičnih elemenata. I njegovi elektroni moraju biti "bacani" u provodni pojas, tako da struja teče kroz tvar. Ako se elektroni kreću po volumenu kristala, to je elektroničko provodenje. Označava se kao n-provodljivost (od prvog slova engleske riječi negativno, tj. "Negativno"). Ali postoji još jedna vrsta.

Zamislite da u određenom periodičkom sustavu nema elementa. Na primjer, ležite u košarici teniskih kuglica. Oni su raspoređeni u jednakim jednakim slojevima: svaki ima jednak broj loptica. Ako se jedna kugla izvadi, u strukturi se formira šuplja rupa. Sve okolne kugle pokušat će ispuniti razmak: jedan element iz gornjeg sloja leži na mjestu nestalih. I tako dalje, sve dok se ne uspostavi ravnoteža. Ali u ovom slučaju, i rupa će također krenuti - u suprotnom smjeru, gore. A ako je u početku površina kuglica u košari bila ravna, tada se nakon pomaka u gornjem retku formira rupa umjesto jedne nestale kugle.

Slično tome, s elektronima u poluvodičima: ako se elektroni premjeste na pozitivni stup napona, preostale praznine na njihovom mjestu prelaze na negativni pol. Te suprotne kvazipartikalije nazivaju se "rupe" i imaju pozitivan naboj.

Ako rupa prevlada u poluvodiču, tada se mehanizam naziva p-provodljivost (od prve slovo engleske riječi pozitivno, tj. "Pozitivno").

Nečistoća: slučajnost ili težnja?

Kada netko sluša riječ "mješavina", nešto češće znači nešto nepoželjno. Na primjer, "mješavina toksičnih tvari u vodi", "mješavina gorčine u radosti pobjede". Ali nečistoća je također nešto mala, beznačajna.

U slučaj poluvodiča Ova riječ ima drugo značenje, a ne prvi. Za poboljšanje jednog tipa vodljivosti u kristal može ući atom daju elektrona (donor) ili ih (akceptor). Ponekad je potrebna mala količina stranih tvari kako bi se povećala neka vrsta struje.

Dakle, intrinzična i nečistoća vodljivost poluvodiča slični su fenomen. Dodatak samo jača već postojeću kvalitetu kristala.

Korištenje dopiranih poluvodiča

Vrsta vodljivosti za kristale je važna, ali u praksi upotrijebite njihovu kombinaciju.

Na spoju poluvodiča n i p, stvara se sloj pozitivnih i negativnih čestica. Ako je struja pravilno spojena, naknade će se međusobno nadoknaditi, a struja će strujati u krugu. Ako su polovi spojeni u suprotnom smjeru, napunjene čestice će se "zaključati" u polovici, a trenutni sustav neće biti struje.

Tako, mali komadić dopiranog silicija može postati dioda za ispravljanje električne struje.

Element koji sadrži poluvodič dviju tipova također može poslužiti kao tranzistor za upravljanje i pojačavanje struje.

Kao što smo već pokazali, intrinzična i nečistoća vodljivost igra ključnu ulogu u poluvodiču. Poluvodički uređaji postali su znatno manji od svjetiljki. Ovaj tehnološki proboj dopušteno da mnogo od činjenice da su znanstvenici predviđali teoretski, ali to je nemoguće jer je vrijeme da se u praksi zbog velike veličine opreme.

Silicij i prostor

Let u svemir je postao jedna od najvažnijih mogućnosti dostupnih zahvaljujući poluvodičima. Do šezdesetih godina dvadesetog stoljeća, nije bilo moguće iz jednostavnog razloga što je kontrola projektil koji se nalazi u izuzetno teškim i osjetljivim uređajima vakuum cijevi. Ni jedan način ne bi mogao podići takav stroj bez vibracija i opterećenja. Otkriće provodljivosti silicija i germanija omogućilo je smanjenje težine upravljačkih elemenata i njihovo učvršćivanje i izdržljivost.