Полупроводниковые материалы широко используются в современном мире ... да где угодно они используются. Изначально я планировал текст про квантовые точки из полупроводников, что это такое и как оно используется, однако быстро стало понятно, что сначала необходима некоторая более общая база в виде основ зонной теории.
Школьная программа учит нас, что материалы могут быть проводниками, диэлектриками и полупроводниками. Первые проводят электрический ток (а еще часто блестящие и ковкие), вторые его не проводят, а что третьи? Для объяснения, откуда взялись полупроводники, надо будет немного нырнуть в фундаментальщину.
Возможно, кто-то помнит из курса химии/физики, что каждый атом характеризуется собственным строго определенным и ограниченным количеством значений энергии, которые может иметь находящийся в атоме (точнее, в электрическом поле атомного ядра и прочих электронов) электрон: это так называемые энергетические уровни. Как нетрудно догадаться, если рядом окажутся два атома (да хоть бы и одинаковых для простоты) - они повлияют друг на друга, и из n парных одинаковых энергетических уровней атомов получится 2n энергетических уровней всей конструкции, при этом из каждой пары получится два уровня - один ниже по энергии исходной пары (связывающий) и второй выше (разрыхляющий).
А что будет, если атомов будет МНОГО? А тогда этих самых составных энергетических уровней будет настолько МНОГО, что они сольются в сплошные зоны - диапазоны разрешенных для электронов энергий. Значения энергий в зонной теории обычно принято давать в электрон-вольтах (эВ) - это величина энергии, которую приобретает один электрон в ускоряющем поле с разницей потенциалов 1 В, примерно 1,6*10^(-19) Джоуля. Обычно такая единица измерения энергии весьма неудобна из-за своего низкого значения. Однако если мы рассуждаем про отдельные электроны как носители заряда, то она становится весьма наглядной: чтобы электрон преодолел зону в 5 эВ, необходимо приложить к материалу 5 В.
Однако электронов в атомах недостаточно для того, чтобы заполнить все зоны. Какие дальше возможны варианты? Вариант 1: электронов столько, что одна из энергетических зон частично заполнена. Что отсюда следует? А отсюда следует, что малейший избыток энергии (а любые температуры, отличные от нуля, несут с собой некоторый разброс энергий с повышением относительно минимальной) на любом из электронов перекинет его на другое свободное место в зоне: вот вам и металл с его проводимостью.
Вариант 2: электроны заполняют некоторое количество зон полностью, а до следующей зоны остается промежуток, энергии из которого электрон в данном веществе иметь не может принципиально - запрещенная зона. Соответственно, просто так электрон не может по веществу двигаться - слишком много энергии нужно для того, чтобы выкинуть его в пустую зону (зону проводимости). В эту категорию попадают и полупроводники, и изоляторы. А в чем тогда разница между ними? Я знаю про два варианта разделения. Согласно первому, выбирается определенная ширина запрещенной зоны (3 или 5 эВ). Если имеющая запрещенная зона шире - это изолятор, уже - полупроводник. В альтернативном варианте появляется еще один параметр - работа выхода электронов. Это энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он покинул твердое тело и улетел нафиг в вакуум. Если электрон проще выкинуть из тела, чем закинуть его в зону проводимости - это изолятор. Если нет - это полупроводник.
Однако все, что сейчас было сказано, работает только для высокочистых полупроводников. Примеси в полупроводниках имеют свойство добавлять новые электронные уровни прямо вовнутрь запрещенной зоны - так называемые примесные уровни. Если в атомах примеси электронов в верхней оболочке больше, чем в атомах основы - продуктом будет полупроводник n-типа, в нем неподалеку от зоны проводимости появятся примесные уровни с дополнительными электронами, которым легко перескочить в зону проводимости. Если в атомах примеси таких электронов меньше - продуктом будет полупроводник p-типа, в нем рядом с занятой зоной появятся свободные примесные уровни, в которые легко перепрыгнуть электронам снизу по энергии.
Отсюда следует один хитрый вывод: если полупроводник недостаточно очищен - то хрен его знает, сколько, каких и где примесных уровней у него в запрещенной зоне, и какая у него будет проводимость - тоже хрен его знает. На заре физики полупроводников это создало в количестве геморроя для ученых - проводимость материала непредсказуемо менялась от образца к образцу.
А что будет, если соединить полупроводники n- и p-типа? А получится граница: с одной стороны есть электроны высоко по энергии, с другой есть свободные места низко по энергии. Такая граница будет пропускать электрический ток только в одну сторону - вот вам и диод. А на базе пары границ уже можно собирать логические схемы, откуда растут все современные компьютеры.
Вот как-то так, это совсем базовые основы физики полупроводников.
Автор: Иван Прихно.
