Власна і домішкова провідність напівпровідників: особливості

Сьогодні ми розповімо, що таке власна і домішкова провідність напівпровідників, як вона виникає і яку роль відіграє в сучасному житті.

Атом і зонна теорія

На початку двадцятого століття вчені з'ясували, що атом – це не найменша частинка речовини. Він має свою складну структуру, а його елементи взаємодіють з особливим законам. Приміром, з'ясувалося, що електрони можуть знаходитися 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 хвильові властивості електрона. Як та хвиля, ця частка має період, і коли обертається навколо ядра, що 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 цієї та попередньої орбиталью.

Решітка в твердому тілі

Власну і примесную провідність напівпровідників фізика пояснює «колективом» однакових орбіталей, який виникає в твердому тілі. Під твердим тілом мається 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 – ні.


У кристалі існує дуже багато схожих атомів, і навколо кожного обертаються однакові електрони на тих же осях. І тут є невелика проблема. Електрон належить до класу фермионов. Це означає, що двох частинок в абсолютно однакових станах бути не може. І що робити в цьому випадку твердому тілу? Природа знайшла приголомшливий по простоті вихід: всі електрони, які належать одній орбіталі одного атома в кристалі, трохи відрізняються за енергії. Різниця ця неймовірно маленька, і всі 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».

Чим напівпровідник відрізняється від провідника і діелектрика?

Серед всіх зон одного твердого тіла виділяються дві. В одній (верхній) електрони можуть вільно рухатися, вони не «прив'язані» до своїх атомів і переходять з місця на місце. Це називається зоною провідності. В металах така область безпосередньо стикається зі всіма іншими, і щоб порушити електрони, не потрібно затрачати велику енергію. Але у інших речовин все інакше: електрони розташовуються у валентній зоні. Там вони зв'язані зі своїми атомами і не можуть просто так покинути їх. Валентна зона відокремлюється 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 широкозонним напівпровідником і використовується з обережністю.

Види провідності напівпровідників

Щоб зрозуміти, які особливості власної та домішкової провідності напівпровідників, треба спочатку дізнатися, які бувають її види. Ми вже розповіли, що напівпровідник – це кристал. Значить, його решітка складається з періодичних однакових елементів. І його електрони треба «закинути» в зону провідності, щоб по речовині потік струм. Якщо за об'ємом кристала електрони рухаються саме – це електронна провідність. Вона позначається як n-провідність (від першої літери англійського слова negative, тобто «негативний»). Але буває і інший тип. Уявіть, що в якійсь один елемент періодичної системи відсутня. Наприклад, лежать в кошику тенісні м'ячики. Вони розташовані однаковими рівними шарами: в кожному рівну кількість куль. Якщо один м'яч вийняти, в конструкції утворюється порожнеча, діра. Всі навколишні кулі намагатимуться заповнити пробіл: один елемент верхнього шару ляже на місце відсутнього. І так далі, поки не встановиться рівновага. Але при цьому і дірка буде теж рухатися в протилежному напрямку, вгору. І якщо спочатку поверхня куль в кошику була рівною, то після переміщень у 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 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»).

Домішка: випадковість чи прагнення?

Коли людина чує слово «домішки», то найчастіше 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 має скоріше другий сенс, ніж перший. Щоб підсилити один з типів провідності, в кристал можна ввести атом, який віддасть електрони (донор), або забере їх (акцептор). Деколи потрібна незначна кількість чужорідного речовини, щоб збільшити якийсь вид струму. Таким чином, власна та домішкова провідність напівпровідників – це схожі явища. Добавка тільки посилює вже існуюче якість кристала.

Застосування легованих напівпровідників

Вид провідності кристалів важливий, але на практиці використовують їх комбінацію. У місці з'єднання напівпровідників n - і p-типу створюється прошарок з позитивних та негативних часток. Якщо струм підключити правильно, то заряди скомпенсіруют один одного, і в ланцюзі піде електрика. Якщо полюса підключити в зворотному напрямку, то разнозаряженние частинки «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 в напівпровіднику власна і домішкова провідність. Напівпровідникові прилади стали набагато менше в розмірах, ніж лампові пристрою. Цей технологічний прорив дозволив здійснити багато чого з того, що вчені передбачили теоретично, але не можна було до пори до часу здійснити на практиці із-за великих розмірів обладнання.

Кремній і космос

Політ у космос став однією з найважливіших можливостей, доступних завдяки напівпровідників. До шістдесятих років двадцятого століття це було неможливо з тієї простої причини, що управління ракети містилося в неймовірно важких і крихких лампових приладах. Жоден спосіб не міг підняти таку махину без вібрацій і навантажень. А відкриття кремнієвої і германієвої провідності дало можливість зменшити вагу керуючих елементів і зробити їх більш цілісними і міцними.