Полупроводники не позволяют току течь так же легко, как проводники. При некоторых условиях полупроводники могут проводить ток настолько плохо, что ведут себя как изоляторы.
Кремний — это наиболее широко используемый полупроводниковый материал. Он используется для изготовления диодов, транзисторов и интегральных схем. Эти и другие компоненты делают возможной современную электронику и электронные полупроводниковые устройства. Важно понимать некоторые особенности работы кремния.
На рис. 2-4 показан атом кремния. Компактная группа частиц в центре атома [рис. 2-4(a)] содержит протоны и нейтроны. Протоны имеют положительный (+) электрический заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда (N). Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра по орбитам. Первая орбита содержит два электрона. Вторая орбита содержит восемь электронов. Последняя, или внешняя, орбита содержит четыре электрона.
Поскольку нас в основном интересует валентная орбита, можно упростить изображение атома кремния. На рис. 2-4(b) показаны только ядро и валентная орбита. Валентная орбита является наиболее важной особенностью.
Материалы с четырьмя валентными электронами нестабильны. Они склонны химически соединяться с другими материалами. Их можно назвать активными материалами.
Эта активность может привести их к более стабильному состоянию. Закон природы заставляет определённые материалы стремиться к образованию соединений, которые обеспечивают наличие восьми электронов на валентной орбите. Восемь — это важное число, так как оно обеспечивает стабильность.
Одна из возможностей заключается в том, что кремний может соединяться с кислородом. Один атом кремния может соединиться с двумя атомами кислорода, образуя диоксид кремния (SiO₂). Это соединение называется ионной связью. Новая структура, SiO₂, гораздо более стабильна, чем кремний или кислород по отдельности. Интересно отметить, что химические, механические и электрические свойства часто идут параллельно. Диоксид кремния химически стабилен. Он нелегко вступает в реакции с другими материалами. Он также механически стабилен — это твёрдый, стеклоподобный материал. Наконец, он электрически стабилен. Он не проводит ток; более того, он используется как изолятор в интегральных схемах и других твердотельных устройствах. SiO₂ изолирует, потому что все валентные электроны прочно закреплены в ионных связях. Их трудно перемещать, и поэтому они не поддерживают протекание тока.
Иногда кислород или другой материал недоступен для соединения с кремнием. Кремний всё ещё стремится к стабильности, которую обеспечивают восемь валентных электронов. Если условия подходящие, атомы кремния организуются так, чтобы делиться валентными электронами. Этот процесс обмена называется ковалентной связью. Структура, которая образуется в результате, называется кристаллом. На рис. 2-5 показана символическая диаграмма кристалла чистого кремния. Точки представляют валентные электроны.
Посчитайте валентные электроны вокруг ядра одного из атомов, показанных на рис. 2-5(a). Выберите одно из внутренних ядер, обозначенных кружком с буквой N. Вы насчитаете восемь электронов. Таким образом, кристалл кремния очень стабилен. На рис. 2-5(b) показано трёхмерное представление части кристалла кремния.
При комнатной температуре чистый кремний является очень плохим проводником. Если к кристаллу приложить умеренное напряжение, ток будет очень слабым. Валентные электроны, которые в норме могли бы поддерживать протекание тока, все прочно закреплены в ковалентных связях.
Кристаллы чистого кремния ведут себя как изоляторы. Тем не менее, сам кремний классифицируется как полупроводник. Чистый кремний иногда называют собственным кремнием (intrinsic silicon). Собственный кремний содержит очень мало свободных электронов для поддержания тока и поэтому действует как изолятор.
Кристаллический кремний может быть сделан полупроводящим. Один из способов увеличить его проводимость - нагреть его. Тепло - это одна из форм энергии. Валентный электрон может абсорбировать часть этой энергии и перескочить на орбиту более высокого энергетического уровня. Таким образом, электрон с высокой энергией разорвал свою ковалентную связь. На рисунке 2-6 изображен электрон с высокой энергией (high-energy electron) в кристаллической решетке кремния.
Этот электрон можно назвать thermal carrier - тепловой носитель. Он может свободно двигаться, и таким образом, может поддерживать протекание тока. И теперь, если на концы кристалла приложить напряжение (проводники с определенной разностью потенциалов), то через кристалл потечет электрический ток.
У кремния отрицательный температурный коэффициент. Когда температура возрастает, сопротивление уменьшается. Трудно предугадать, насколько сопротивление изменится в каждом конкретном случае. Одно простое правило работает наверняка: сопротивление уменьшается вдвое на каждые 6 градусов роста температуры.
Полупроводниковый материал германий когда-то использовался для изготовления диодов и транзисторов, но со временем стал менее популярным. У кремния температурные характеристики лучше и он может работать при более высоких температурах.