Лекция №3 полупроводники - это очень просто

1. Научный и упрощенный подходы к твердотельной электронике

Для объяснения свойств полупроводников необходим аппарат квантовой механики. Именно в квантовой теории вводятся фундаментальные понятия, которые нам понадобятся для объяснения свойств полупроводников: энергии могут иметь только определенные дискретные значения, частицы не могут иметь одинаковых состояний, хоть чем-то они должны отличаться и так далее.

Однако, если речь идет не об открытии новых физических эффектов, доказательстве каких-либо фундаментальных утверждений, строгих математических расчетах, а только о понимании принципов работы приборов цифровой схемотехники, то можно ограничиться более простыми представлением. Так, в частности, поступил Нильс Бор, введя знаменитые постулаты (ниоткуда не следующие утверждения), когда после опытов Резерфорда примерно стало ясно строение атома (массивное положительное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами).

Так что, оставаясь в рамках простой «доквантовой» физики, предположим.

Первое: электроны в атоме могут находиться на строго определенных орбитах (правильнее, конечно, - «иметь строго определенные энергии»). Чем меньше радиус орбиты, тем больше энергия, связывающая электрон с атомом. Электрон за счет сил притяжения «стремится» занять орбиту, ближайшую к атомному ядру, то есть с наименьшим радиусом. Поэтому, электроны, находящиеся на «внутренних» орбитах, сильно связаны с атомным ядром. А вот так называемые валентные электроны, находящиеся на «внешней» орбите, могут иметь слабую связь с атомным ядром.

Второе, на орбитах может находиться ограниченное количество электронов. На первой орбите не больше двух электронов, на второй – не больше восьми, на третьей – не больше восемнадцати, на четвертой не больше тридцати двух.

Теперь, используя только закон Кулона, можно, если не понять, то хотя бы представить на дилетантском уровне, что такое «полупроводники».

2.Атом в кристаллической решетке, собственная проводимость полупроводников

Все простые вещества можно разделить на проводники (или металлы) и диэлектрики (или изоляторы). Все сложные вещества, по крайней мере, в твердом состоянии, - изоляторы. Только двухатомные соединения могут проявлять слабые полупроводниковые свойства.

У проводников связь валентных электронов с атомом слабая. Поэтому в химических и физических процессах они «легко» отдают валентные электроны. В частности, ставшие свободными, электроны могут двигаться под действием электрических полей и в проводниках может протекать электрический ток.

Когда атомы металла объединяются в кристаллическую решетку, связь валентных электронов с атомами еще ослабевают. Так что металл представляет собой решетку, в узлах которой находятся неподвижные положительные ионы (атомы, потерявшие электроны), окруженную подвижным электронным облаком.

Число свободных электронов в металлах порядка 10²³ в см³ – примерно столько же сколько и атомов.

У диэлектриков связь валентных электронов с атомом сильная. Поэтому в химических и физических процессах они не отдают валентные электроны, а наоборот могут присоединять и «жестко связывать» чужие электроны. В частности, под действием электрических полей в изоляторах ток не протекает, так как нет свободных подвижных носителей заряда. Число свободных электронов в диэлектриках ничтожно мало, порядка 10 в см³ .

Металлические свойства ослабевают с ростом массы атома и, следовательно, заряда ядра. Заряд ядра растет, а радиус не меняется, поэтому возрастает сила связи электрона с атомом. После того как внешняя орбита заполняется полностью, следующий электрон может появиться только на другой более дальней орбите. Сила связи резко уменьшается вследствие увеличения радиуса. И все закономерности повторяются.

Промежуточное значение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. В полупроводниках есть вероятность образования свободных электронов порядка 10¹⁴ в см³ при комнатной температуре. То есть свободным становиться 1 из миллиарда валентных электронов. Полупроводник – очень плохой проводник. Вероятность появления свободных электронов удваивается при повышении температуры на 10 градусов, а при повышении температуры на 100 градусов число свободных электронов увеличивается в 1000 раз.

Но самая интересная особенность полупроводников - дырочная проводимость. Атом, который покинул электрон, становится положительным ионом, стремящимся притянуть электрон. Говорят: образуется вакансия, или дырка. Под действием электрического поля возможен захват электрона у соседнего атома, который в свою очередь может захватить электрон у другого атома. Происходят «перескоки» электронов от одного атома к другому.

Ситуация похожа на случай в театре или концертном зале. Пусть посередине ряда имеется одно свободное место. Запоздавший зритель может пробираться на свободное место – это аналог движения свободного электрона. Возможна и другая ситуация: каждый зритель перемещается на одно место. При этом пустое место – аналог дырки перемещается в противоположном направлении, чем перемещаются зрители.

Точно также в полупроводниках вместо коллективного перескока электронов от атома к атому вводят понятие псевдочастицы - дырки. Дырка, или вакансия перемещается в направлении противоположном перемещению электронов, поэтому ей приписывают положительный заряд. Перемещение дырки рассматривают просто как перемещение положительно заряженной частицы. Это значительно облегчает описание процессов проводимости в полупроводниках.

Такой механизм перенос заряда электронами и дырками называется собственной проводимостью полупроводников. Наличие свободных электронов и дырок и, следовательно, собственная проводимость полупроводников сильно зависит от температуры.