4. Изобретение транзистора как революционный этап развития электроники. Основные положения физики полупроводников. Эволюция твердотельной электроники за последние 20 лет
(Виды химической связи в материалах (как справка))
(При сближении атомов до расстояния нескольких долей нанометра (1нм=10-9 м), между ними появляются силы взаимодействия. Если эти силы являются силами притяжения, то атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя устойчивые химические соединения. При этом электроны внутренних и внешних оболочек атомов ведут себя по-разному. Электроны внутренних, полностью заполненных оболочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химических связей. Строение внешней, не полностью заполненной электронами оболочки определяет химические свойства атомов в образовавшемся соединении.
Электроны, находящиеся на внешних оболочках, являются валентными. Валентность атома определяется числом этих электронов. Все многообразие существующих в природе материалов характеризуется несколькими видами химической связи.
Ковалентная (гомеополярная) связь. При наличии такой связи объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов (рис. 1.1).
Плотность отрицательно заряженного электронного облака между положительно заряженными ионами получается наибольшей. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межионном пространстве приводит к возникновению сил притяжения между атомами.
Многие полупроводники кристаллизуются в структуре алмаза, в которой каждый атом образует четыре связи со своими ближайшими соседями. Ковалентная связь в неорганических материалах характеризуется высокой прочностью. Подтверждением этому является высокие твердость и температура плавления алмаза, кремния и др.
4.1 Дать объяснение понятию полупроводник и показать в чем состоит уникальность свойств полупроводников с точки зрения электроники
Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости(Удельной проводимостью называют меру способности вещества проводить электрический ток) занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками(вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток) и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.
Проводимость полупроводника (или удельная электропроводность) - это плотность тока через полупроводник, когда к последнему приложено единичное электрическое поле. Иначе говоря - это коэффициент пропорциональности между электрическим полем и плотностью тока через полупроводник.
Свойства кристаллических полупроводников объясняются зонной теорией твердого тела
Заметная проводимость есть у проводников и полупроводников.
Но : существенные различия в некоторых свойствах
1) электропроводность полупроводников обычно существенно ниже, чем металлов
2) электропроводность полупроводников обычно быстро растет с ростом температуры - у металлом обычно снижается (и зависимость слабее)
3) электропроводность полупроводников исключительно сильно зависит от их чистоты (от концентрации примесей) - и обычно растет с ведением примесей (у металлов зависимость слабая и обычно другого знака)
4) на электропроводность полупроводников влияет облучение светом или ионизирующей радиацией - для металлов(проводников) подобное влияние практически отсутствует
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.
К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
Механизм электрической проводимости полупроводников
Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76×10−19 Дж против 11,2×10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры, и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Дырка
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.
Связь электронов может быть разорвана не только тепловым движением, но и различными внешними воздействиями: светом, потоком быстрых частиц, сильным электрическим полем и т.д.