Полупроводниковая электроника

Полупроводниковая электроника

Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо понимание различных физических процессов, протекающих внутри.

В статье разобраны принципы работы основных полупроводниковых устройств. Описание функционирования изложено с позиции физики. Статья содержит вводное описание терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Современные электрические приборы являются очень сложными устройствами. Физические детали их функционирования не всегда легко поддаются понимаю. Для того, чтобы ясно представлять принцип работы того или иного устройства, необходимо знать базовые физические явления, лежащие в их основе. Поэтому, для того чтобы далее вести разговор на одном языке, ниже представлено краткое описание таких понятий как электрическое поле, электрический ток и диффузия.

Шаг 1. Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которое существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков одинакового знака заряд, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, какими формулами считается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Основное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является — электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живущий» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина говорит о том, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи.

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием какимлибо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

Шаг 2. Диффузия

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремиться быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куданибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей

концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Резюме

Благодаря законам природы частички вещества, если их где-то много, всегда будут стремиться туда, где их мало. Это явление называется диффузией.

Шаг 3. Твёрдые тела

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том,

какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит из вне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Есть ещё ряд не мене важных моментов, но здесь рассмотрение их будет опущено и для начального понимания сути физической природы, достаточно будет и этих данных.

Резюме

Для описания свойств твёрдых тел используется зонная теория. Суть теории заключается в том, что внутри материала существуют электроны, которые могут учувствовать в образование электрического тока, остальные же принадлежат атомам. Если подавать на материал энергию (свет, тепло, электрическое поле), то можно «отрывать» электроны от атом для того, чтобы они проводили ток. Есть материалы, где это легко сделать, а есть где сложно. «Золотую середину» занимает класс материалов — полупроводники. В действительно все свойства веществ описываются квантовой физикой.