Класс!ная физика - всегда рядом Класс!ная физика - викторины Класс!ная физика - для любознательных Техно-шокер Музей открытки 20 века Коты-работы художников

"Что кажется нам чудом, на самом деле таковым не является!" - Симон Стевин
Но, что будет, если кота Шрёдингера засунуть в бутылку Клейна и обмотать всё лентой Мёбиуса?





«Класс!ная физика» - это class-fizika.spb.ru, class-fizika.narod.ru, class-fizika.ru.

 Класс!ная физика   -  YouTube

Полупроводники

ПечатьE-mail

Вы спрашиваете, что такое полупроводник и где их можно увидеть? - в "сердце" микропроцессорных чипов, и в транзисторе. Любое устройство, связанное с компьютером или использующее радиоволны, прямо связано с применением полупроводников.

Сегодня, большинство полупроводниковых чипов и транзисторов сделаны на основе кремния. Вы, возможно, слышали такие выражения, как "Кремниевая долина ", "кремниевая экономика", "век кремния". И все это по той причине, что кремний является основой любого электронного устройства.

На рисунке показаны (по часовой стрелке сверху): чип, светодиод и транзистор – все они сделаны из полупроводникового материала – кремния.

Самым простым электронным устройством является диод. Поэтому диод можно рассматривать как исходную точку, если Вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как влияют на его свойства примеси и как можно, используя полупроводники, создать диод.

Откроем тайны кремния.

Кремний – очень распространенный элемент. Например, он является основным элементом в составе песка и кварца. Если Вы посмотрите на положение кремния в периодической таблице Д.И. Менделеева, то увидите, что он находится за алюминием - Al, ниже углерода - C и выше германия - Ge.

Электронная структура углерода, кремния и германия (германий, как и кремний, является полупроводником) имеет уникальное свойство – каждый из них имеет четыре электрона на внешней электронной оболочке. Это свойство определяет возможность получения прекрасных монокристаллов этих элементов. Четыре электрона формируют совершенные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку. Углерод, как мы знаем, имеет кристаллическую форму, известную как алмаз. Кристалл кремния – это серебристое, похожее на металл, твердое тело.

В кристаллической решетке кремния все атомы кремния образуют химические связи с четырьмя соседними атомами. При этом в кристалле кремния нет свободных электронов и электрический ток через кристалл протекать не может, особенно при низких температурах. Поэтому кристалл кремния больше похож на изолятор, а не на проводник.

Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что они обычно имеют "свободные электроны", которые могут легко перемещаться между атомами, а электрический ток в этом случае представляет собой поток электронов. В то время, как монокристаллы кремния, внешне очень похожи на металлы, на самом деле они не являются металлами Все внешние электроны в кристалле кремния образуют совершенные ковалентные связи с соседними кристаллами, а потому не могут перемещаться. Кристалл кремния с малым количеством примесей по существу представляет собой изолятор – через него при комнатной температуре может протекать очень маленький ток.

Добавление примесей в кремний – допирование кремния

Если в кристалл кремния внести примеси – допировать кремний, то можно изменить свойства кремния и превратить его в проводник. При допировании кремния в кристалл вносится небольшое количество примеси.

Существуют два типа примесей: p-тип и n-тип.

При внесении примесей n -типа в кристалл кремния добавляется небольшое количество фосфора - P или мышьяка - As. На внешней оболочке фосфора и мышьяка находятся пять электронов, которые занимают больше места, чем электроны атома кремния. Пятый электрон не образует связи с соседними атомами кремния и поэтому может свободно двигаться в кристалле. Для того, чтобы создать достаточное количество свободных электронов, необходимых для протекания электрического тока, нужно совсем небольшое количество примеси. Кремний n -типа является хорошим проводником. Так как электроны имеют отрицательный заряд, то кристалл кремния с такими примесями и называется кремнием n -типа.

При внесении примесей p-типа в кристалл кремния добавляется небольшое количество бора – B или галлия - Ga. На внешней электронной оболочке бора и галлия находятся только три электрона. Когда эти примеси входят в кристалл кремния, они образую "дырки" в решетке, в которых нет электронов. Отсутствие одного электрона эквивалентно наличию одного положительного заряда. Направленное движение дырок можно рассматривать как электрический ток. Дырка соответствующим образом "захватывает" электрон соседнего атома и, следовательно, дырка перемещается в кристалле. Кремний p-типа – хороший проводник.

Итак, небольшое количество примесей n-типа или p-типа превращает кристалл кремния из хорошего изолятора в достаточно хороший проводник (хотя и с малой проводимостью) – это свойство и дало название "полупроводник".

Свойства кремния n-типа или p-типа не представляют собой ничего особенно удивительного. "Чудо" и очень интересные свойства возникают тогда, когда соединяете вместе кремний p-типа и n-типа, т.е. при образовании p–n - перехода.

Создание полупроводникового диода

Диод – одно из самых простых электронных устройств, которое можно изготовить из полупроводника. Диод пропускает ток только в одном направлении, в другом направлении ток через диод не проходит. Вы, конечно, видели турникеты на стадионе или в метро, через которые люди могут проходить только водном направлении. Образно говоря, диод – это односторонний турникет для электронов.

Если вы соедините вместе кремний p-типа и n-типа так, как показано на рисунке, то произойдет "чудо" – получится диод с его уникальным свойством пропускать ток только в одном направлении.

Несмотря на то, что по отдельности и кремний n-типа, и кремний p-типа неплохо проводят ток, т.е. являются "плохими проводниками", их комбинация, показанная на схеме, не проводит электрический ток.

Отрицательно заряженные электроны в кремнии n-типа притягиваются к положительному полюсу батареи.
Положительно заряженные дырки притягиваются к отрицательному полюсу батареи.

Через переход между кремнием различного типа ( p-n – переход) при таком подключении батареи ток не протекает, потому что и электроны, и дырки перемещаются в "неправильном" направлении". Если Вы измените полярность подключения батареи, диод будет прекрасно проводить электрический ток. Свободные электроны в кремнии n-типа будут отталкиваться от отрицательного полюса батареи. Дырки в кремнии p-типа будут отталкиваться от положительного полюса батареи. В области p–n – перехода между кремнием p–типа и кремнием n–типа свободные электроны и дырки встречаются. Электроны заполняют дырки, т.е. происходит явление, которое называется рекомбинация. Электроны и дырки прекращают свое существование, но на их место приходят новые электроны и дырки. В результате рекомбинации через p–n - переход протекает электрический ток.

Устройство, которое пропускает ток только в одном направление, но не пропускает в обратном направлении, называет диодом. Диоды используются в самых разнообразных устройствах и схемах. Например, устройства, которые используют батареи в качестве источника питания, содержат диод, который защищает устройство при неправильном подключении батарей. Диод просто не пропускает ток, если батарея подключена неправильно, т.е. он защищает в устройстве чувствительную электронику. Конечно, поведение реального диода отличается от идеального диода, которые мы рассматривали выше. На следующем рисунке показана вольтамперная характеристика реального диода:

В идеальном диоде при обратном включении батареи ток не проходит. В реальном диоде при обратном {jcomments on}подключении батареи проходит небольшой ток около 10 мкА – это, конечно, немного, но диод уже не является идеальным. И, если Вы приложите к диоду достаточно высокое обратное напряжение, то произойдет пробой диода и диод выйдет из строя. Обычно, напряжение пробоя намного превышает напряжение, которое есть в электрической цепи, поэтому встретить пробой диода в реальной схеме маловероятно. Если к диоду прикладывается прямое напряжение, то необходимо, чтобы оно превышало некоторую величину, чтобы через диод пошел ток. Для кремниевых диодов это напряжение равно приблизительно 0,7 В. Такое напряжение необходимо для начала процесса рекомбинации электронов и дырок в p-n - переходе.

Транзисторы и чипы

Транзистор создается на основе использования трех слоев полупроводников, а не двух, используемых в диоде. Вы можете создать транзистор в виде npn или pnp "бутерброда". Транзистор может работать как выключатель или как усилитель.

Транзистор напоминает два диода, которые включены навстречу друг другу. Тогда можно подумать, что транзистор не будет проводить электрический ток, так как два встречно включенных диода не пропускают ток ни в одном, ни в другом направлении. И это – правда! Однако когда Вы пропустите небольшой ток через центральный слой транзистора, намного больший ток пройдет через транзистор в целом. Следовательно, транзистор может вести себя как выключатель. Небольшой ток может включать и выключать намного больший ток! Кремниевый чип – небольшая пластинка из кремния, на которой изготовлено большое количество транзисторов – несколько десятков миллионов. С транзисторами, действующими как выключатели, Вы можете создавать логические схемы, на основе которых создаются микропроцессорные чипы. Естественный процесс развития: кремний – кремний с примесями – транзистор – чип привел к тому, что микропроцессоры и другие электронные устройства стали недорогими и широко распространенными в современном обществе.

Фундаментальные научные принципы, которые лежат в основе работы полупроводниковых приборов удивительно просты. Чудом можно считать постоянное инженерное и технологические применение этих принципов для того, чтобы сегодня недорого создать десятки миллионов транзисторов в одном чипе.

Источник: Одомашненная физика А.А.Богуславский