Наша планета очень богата различными химическими соединениями. Одни материалы отлично проводят электрический ток, а другие - практически нет. Есть и третья, особенная группа материалов, называемая полупроводниками.
Полупроводники - материалы, которые практически не проводят ток в нормальном состоянии, но при различных манипуляциях над ними приобретают способность проводить ток.
Полупроводники удивительны тем, что умеют отвечать на проводимые над ними манипуляции: при освещении фотодиода/фототранзистора полупроводник генерирует ток, при подаче напряжения на выводы светодиода появляется свет, при подаче напряжения на полупроводниковый термоэлемент одна сторона его нагревается, а другая - остывает и т.д.
Широко применяются полупроводниковые термоэлементы (элемент Пельтье), на основе которых делают различные интересные вещи: портативный автомобильный холодильник, кулер для воды и т.д.
Также полупроводниковые материалы играют важнейшую роль в развитии электроники.
Популярность полупроводников в электронике заключается в том, что они позволяют управлять пропусканием электрического тока.
Чтобы полупроводник имел возможность пропускать ток, его легируют (связывают) другим веществом. Легировав определённым образом полупроводники, можно получить различные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы и т.д.
Самые распространённые полупроводниковые материалы, используемые в настоящее время - это германий и кремний.
В области электроники кремний одержал безоговорочную победу, навсегда вытеснив германий.
Такой разный кремний: кремний/кремéнь, silicone/silicon
Поговорим про чудесный кремний! Может возникнуть путаница в словах "кремний", "кремéнь", "silicone" и "silicon", поскольку они близки по написанию, но означают разное. Давайте разберёмся:
Кремний (Si) - элемент периодической системы Менделеева. Silicon - это тот же кремний по-английски.
Кремéнь - минерал, состоящий из кремнезёма SiO2. Кремéнь - это те самые камушки, которые при ударе друг об друга высекают искры.
Silicone - силиконовые полимеры, имеющие кремний в своём составе. Силиконовый (или санитарный) герметик, например.
В этой статье нас интересует лишь кремний (тот, что silicon).
Кремний - второй по распространённости элемент на нашей планете, больше только кислорода. В чём же особенность кремния?
Дело в том, что кремний, как и металлы, на атомарном уровне состоит из кристаллической решётки: атомы кремния упорядочены друг относительно друга. Атомы связаны друг с другом ковалентной связью (возникающей за счёт общих пар электронов), в которой участвуют электроны с внешней электронной оболочки:
Вспомним химию: одни вещества стремятся поделиться электронами, а другие - забрать их. Но все вещества стремятся заполнить свой внешний (последний) электронный уровень.
На рисунке видно, что у атома кремния на последнем электронном уровне находится 4 электрона, и все они связаны с соседними атомами кремния ковалентными связями, поэтому внешний электронный уровень кремния заполнен за счёт парных электронов.
Всё, кремнию спокойно. Нет у него (как в металлах) свободных электронов, которые будут создавать электрический ток, равно как и не нуждается кремний в электронах.
Пока кремний спокоен, ток он не пропускает.
Но стоит потревожить кремний, и всё меняется...
Однако, по какой-либо причине ковалентная связь может быть нарушена. Например, когда мы нагреваем кристалл кремния, его атомы начинают двигаться быстрее и некоторые электроны стремятся покинуть кремний.
Когда электрон покидает ковалентную связь, в районе его места обитания остаётся вакантное место (называемое дырка) - место, в которое может попасть один из электронов от соседнего атома.
Электрон убежал в одну сторону, оставив дырку в ковалентной связи. Эта дырка будет стремиться притянуть другой (соседний) электрон, и она это сделает!
Таким образом получается, что отрицательно заряженные электроны кремния движутся в одну сторону, а дырки (положительно заряженные) - в другую. Так в кремнии возникает собственная электронно-дырочная проводимость!
Как уже было сказано, не только температурой можно заставить кремний двигаться. На кристалл полупроводника можно посветить ярким светом, и у того так же появится электронно-дырочная проводимость!
На этом эффекте основана работа солнечных панелей: свет освобождает в полупроводнике электроны, которые движутся и создают дырки (но об этом как-нибудь отдельно).
Но кремний просто так не оставят в покое!
Учёные люди мучали кремний, улучшая его проводимость. В итоге смогли улучшить как электронную, так и дырочную проводимость внесением в кремний различных примесей.
Полупроводник "n"
Чтобы улучшить электронную проводимость кремния, в него нужно внести (легировать кремний) элемент, имеющий больше 4 электронов на внешнем уровне - тогда лишним электронам будет некуда деться и они окажутся свободными готовыми на всё.
Кремний можно легировать [wiki] фосфором, мышьяком или сурьмой - все эти элементы имеют по 5 электронов на внешнем уровне. В месте легирования появляется лишний свободный электрон, причём на миллион атомов кремния приходится 1 атом примеси [Кухлинг Хорст].
Легированный кремний называют полупроводником n-типа (negative), поскольку в нём избыток электронов.
Полупроводник "p"
Проводим всё то же легирование, но добавляем элемент, у которого не хватает одного электрона [wiki] - бор, алюминий или галлий. В месте легирования появляется лишняя дырка.
Легированный такими веществами кремний становится полупроводником p-типа (positive), поскольку имеет избыток дырок (или недостаток электронов)
Переход между легированным по-разному кремнием
Если разместить рядом с полупроводником n-типа полупроводник p-типа, получится p-n переход.
Этот p-n переход так понравился учёным, что теперь мы повсеместно пользуемся электронными устройствами, транзисторы которых по полной используют этот переход! В чём же секрет p-n перехода?
В зоне соединения двух кристаллов кремния (p- и n-типов) образуется тонкий пограничный слой, в котором дырки полупроводника p-типа принимают электроны полупроводника n-типа, уравновешивая друг друга. В итоге восстанавливается баланс и в пограничном слое возникает диэлектрик, не проводящий электричество. На границе полупроводников кристаллическая решётка не имеет свободных электронов и свободных дырок.
Свободные электроны полупроводника n-типа перешли на полупроводник p-типа, зарядив полупроводник n-типа положительным зарядом (и наоборот).
Таким образом, в полупроводнике c p-n переходом:
- на кристалле n-типа в районе p-n перехода не хватает электронов, заряд положительный;
- на кристалле p-типа в районе p-n перехода избыток электронов, заряд отрицательный.
Если подключить к p-полупроводнику положительную клемму аккумулятора, а к n-полупроводнику - отрицательную, то через p-n переход потечёт ток:
Ток потечёт от "плюса" к "минусу", или от бóльшего потенциала к меньшему.
Если же подключить к p-типу отрицательный вывод аккумулятора, а к n-типу - положительный, то p-n переход не будет работать и ток через него не потечёт:
Работа p-n-перехода напоминает мне работу клапана в водопроводе: пусть к ёмкости с водой (баку) через закрытый шаровой кран подключен клапан. Клапан держит в закрытом состоянии разжатая пружина. Откроем немного кран и вода, устремляясь через него, будет давить на клапан, сжимая пружину. При сжатии пружины клапан откроется, и вода потечёт восвояси:
Чем сильнее мы откроем шаровой кран, тем больше будет давление в трубопроводе, следовательно, пружина клапана сожмётся сильнее и вода будет вытекать интенсивнее.
Теперь перевернём клапан вверх ногами. Сколько бы мы не подавали на него воды, он всё время, за счёт давления воды, будет закрыт и вода не потечёт.
Если никогда не слышали про такие клапаны (обратные клапаны) - одно из их применений - установка на слив стиральной машинки.
Применения p-n перехода
Диоды
Устройство, состоящее из одного p-n-перехода, называется диодом. Диоды используются повсеместно, например, в Вашем зарядном устройстве. Диодный мост, имеющийся в каждом зарядном, преобразовывает переменный ток в постоянный.
Светодиоды
При пропускании тока через p-n-переходы особых полупроводников они начинают излучать фотоны света. Цвет света зависит от используемых примесей в кристалле.
Например, оранжевые и жёлтые светодиоды изготавливают из фосфида галлия (GaP), эти химические элементы нам уже сегодня встречались.
Тысячи светодиодов разных цветов формируют цветные экраны наших телефонов и телевизоров, а светодиодные лампы освещения уже вовсю вытесняют лампы накаливания и люминесцентное освещение.
Транзисторы
Без транзисторов мы бы не имели той умной техники, которую сейчас имеем. Мы нажимаем кнопку "Поделиться", чтобы выложить новую фотографию в социальную сеть, а миллиарды малюсеньких транзисторов в телефоне (или в компьютере) выполняют за нас всю работу!
Про транзисторы на канале имеются 2 статьи, почитайте их на досуге :)
Фотодиоды
Фотодиоды - это те элементы, без которых невозможно было бы осуществлять электронную фотовидеосъёмку. Фотоматрица камеры любого современного устройства состоит из миллионов миниатюрных фототдиодов, принимающих свет и вырабатывающих на основе полученных данных необходимый электрический сигнал.
Полупроводники встречаются везде! Кремниевые полупроводниковые элементы наиболее распространены, поскольку кремния полно на нашей планете. Однако, кремнием дело не ограничивается - есть и другие полупроводниковые элементы и соединения, которые активно используются в современном мире.
#физика #фосфор #галлий #полупроводник #semiconductor #диод #светодиод #фотодиод
