Проводники проводят ток, диэлектрики нет, а будущее почему-то за полупроводниками. Что же в них выдающегося и что они вообще такое?
Полупроводниками считаются материалы, у которых запрещенная зона есть, но относительно небольшая (до 3 эВ). Короткий расчет показал, что при температуре холодной комнаты 20 °C энергия электрона, который просто спокойно находится в валентной зоне, составляет около 0,038 эВ. Несколько столкновений с толпящимися вокруг менее удачливыми электронами — и вот энергии уже достаточно для преодоления запрещенной зоны. Счастливый электрон покидает свое место, а что остается? Дырка! Ха-ха-ха, как смешно "дырка", обхохочешься.
Вообще, за этим милым термином скрывается "как-бы-электрон", который при наложении электрического поля движется "от плюса к минусу", или, иначе говоря, некая положительно заряженная область (но у нее внезапно есть масса). Пустое место сразу же становится привлекательным для других оставшихся электронов, они-то отрицательно заряжены. Всем им одно надо. Нижний электрон занимает дырку, и дырка появляется уже вместо него. Таким образом, движение электронов — это только с одной стороны (и в одну сторону) движение отрицательных зарядов, а с другой стороны — движение положительных зарядов в другую сторону. Занимательную цепочку тавтологий объяснят электроны в кинотеатре:
Число электронов в таком случае равно числу дырок, а полупроводник называется собственным. То есть он прекрасно справляется собственными носителями зарядов. Сильный и независимый полупроводник это, конечно, прекрасно, но нет. При возникновении собственной проводимости приборы ведут себя не так, как нужно, все ломается, банкиры в панике, кругом взрывы. Это явление представляет интерес только для того, чтобы его избежать.
Действительно, вот сталкиваются они себе, и вдруг какому-то электрону взбредет в голову перейти в зону проводимости. А когда это произойдет? Никто не знает. Полупроводники заслужили признание именно потому, что их электропроводностью можно вполне предсказуемо управлять НАМ ВСЕМ НУЖНА ВЛАСТЬ. Конечно, с помощью насильного введения санкций примесей, или, в народе, легирования. Вот на сцене и появляется главный герой.
Тот самый элемент, который звучит в названии места-для-всех-умников. Самостоятельность у нас не в почете, поэтому кремнию нужны примеси. Совершенно неожиданно, в этом случае он станет называться примесным полупроводником. За примесями далеко ходить не будем и обратимся к соседям. Нет, примесью станет не соль, а сами соседи по Таблице Менделеева, точнее по группам. Кремний находится 4-й группе, соответственно, нас интересуют элементы из 3-й и 5-й.
На данном моменте нам снова придется дать слово школьному учителю по химии. "Номер группы равен числу валентных электронов..." Все, достаточно. Логика очень простая. Предположим, мы решили добавить в кремний совсем немного бора. Каждый из 3 валентных электронов бора счастливо свяжется с 3 электронами кремния, но один кремниевый электрон останется без пары.
В поисках счастья одинокий электрон отправится к атому бора, где и найдет покой: B превратится в отрицательный ион B-, а тот самый электрон останется с верен ему и больше не будет участвовать во всеобщей суете. Покинутому атому кремния он оставит дырку, которая как раз-таки не будет связана никакими обязательствами, поэтому прекрасно организует электропроводность.
Перемещение носителей при этом будет несимметричным: вглубь зоны станут двигаться только положительные заряды. Подобная проводимость именуется дырочной или проводимостью p-типа (positive, так как дырки несут позитив "+"). Примеси, у которых электронов меньше, называются акцепторными: они всегда готовы приютить носитель заряда.
Противоположная ситуация случится, если в кремний внесут мышьяк (нет, кремний не отравится). В распоряжении у As имеется 5 электронов, 4 образуют связи с Si, и один остается в одиночестве. Он уходит от "хозяина" в поисках своего счастья, и мышьяк становится положительным ионом. В итоге мы имеем один свободный электрон, повинующийся электрическому полю, и ни одной дырки. Подобная примесь, предоставляющая свою часть, называется донором. В этом случает говорят об электронной проводимости или проводимости n-типа (negative, как ни прискорбно).
Итак, берем несколько атомов примеси, и получаем из одного кремния два разных: n-Si и p-Si. Сейчас промышленность использует далеко не только кремний, ему в спину дышат германий, фосфид индия, арсенид галлия и другие красивые сочетания слов полупроводники. Зачем же так издеваться над веществами? Для того, чтобы работала вся наша электроника, потому что в самом-самом основании всех транзисторов лежат как раз-таки электронные и дырочные полупроводники.