Полупроводник - это класс материалов, которые стоят посередине между отличными проводниками электричества, такими как медь или алюминий, и полными изоляторами, вроде стекла или пластика. Слово "полупроводник" идеально описывает их: они пропускают ток, но не так свободно, как металлы, и не так слабо, как изоляторы.
Ключевой секрет полупроводников - их проводимость можно легко регулировать. В холодном состоянии, без внешнего воздействия, они почти не проводят ток, как изолятор. Но стоит нагреть материал, осветить его или добавить специальные примеси, изменить давление или электрическое поле - и ток потечет гораздо лучше. Именно эта гибкость делает полупроводники основой всей современной электроники, от лампочек до компьютеров.
Как устроены полупроводники:
Чтобы разобраться, как это работает, заглянем в мир атомов. Самые популярные полупроводники - кремний (по сути, - песок) и германий. В их атомах на внешней оболочке по четыре электрона, которые "держатся за руки" с соседними атомами, образуя твердую кристаллическую решетку, как в Lego.
В физике твердого тела есть важное понятие - запрещенная зона. Представьте ее как энергетический забор между двумя уровнями: валентной зоной (где электроны связаны и неподвижны) и зоной проводимости (где они могут свободно бегать и переносить ток). У полупроводников этот "забор" невысокий - от 0,1 до 3 - 4 электрон-вольт (эВ). Для примера: у германия он 0,67 эВ, у кремния - 1,12 эВ. Это гораздо меньше, чем у изоляторов (5 эВ и выше), и не ноль, как у металлов, где электроны летают без барьеров.
Если дать полупроводнику энергию: от тепла, света или электричества, - электроны перепрыгивают через забор в зону проводимости. На месте ушедшего электрона остается "дырка" - пустое место с положительным зарядом. Другие электроны могут заполнить эту дырку, но тогда новая дырка появится рядом. В итоге дырки "двигаются" как положительные частицы в противоположную сторону от электронов. Это как очередь людей: один человек сдвинулся - и "пустота" перетекает дальше.
Два типа проводимости:
В чистом полупроводнике электронов и дырок примерно поровну - это называется собственный полупроводник. Но добавьте примеси, и все меняется.
- n-тип (электронная проводимость): В кремний добавляем атомы с пятью электронами, как мышьяк или фосфор (из группы V таблицы Менделеева). Лишний электрон становится свободным и готов переносить ток. Такие примеси - доноры электронов.
- p-тип (дырочная проводимость): Добавляем атомы с тремя электронами, вроде бора или галлия (группа III). Они создают лишние дырки (места, где не хватает электрона, они ведут себя как положительные заряды.), которые тоже переносят ток. Эти примеси - акцепторы, "захватывающие" электроны.
Такой контроль позволяет создавать умные устройства.
Применение полупроводников:
Благодаря изменяемой проводимости полупроводники - сердце электроники. Главные "игроки":
- Диоды - для выпрям - для преобразования солнечного света в электрическую энергию. Основаны на фотоэлектрическом эффекте, когда фотоны генерируют электронно-дырочные пары в полупроводнике.ка n- и p-областей, где электроны и дырки встречаются и "нейтрализуют" ток в обратном направлении.
- Солнечные элементы — для преобразования солнечного света в электрическую энергию. Основаны на фотоэлектрическом эффекте, когда фотоны генерируют электронно-дырочные пары в полупроводнике.
- Транзисторы - Действуют как крошечные выключатели или усилители. Они строят микропроцессоры, обрабатывая миллиарды сигналов в секунду.
- Интегральные схемы - сложные электронные устройства, содержащие множество транзисторов, диодов и других компонентов, интегрированных на одном полупроводниковом кристалле.
От транзисторов к процессору: простое объяснение.
Транзист всё начинается с одного простого действия - управляющий сигнал , - он открывает или закрывает путь для электричества. Остальное — это просто миллиарды таких действий, соединённых вместе и исполняемых очень быстро.
вроде "если А и Б - то да" (вентиль И / AND) или "если А или Б - то да" (вентиль ИЛИ / OR).
Из тысяч таких вентилей строят схемы, например, для сложения чисел или хранения битов.
Представьте водопровод: маленький кран управляет, течёт ли вода дальше по трубе или нет. Так же и в компьютере -- слабенький электрический сигнал может сказать транзистору: "пропусти ток" или "перекрой ток".
Потом эти миллиарды транзисторов соединяют вместе как конструктор: один сигнал управляет другим, тот — третьим, и так далее. Получается сложная цепочка включений и выключений. И вся эта огромная сеть "переключателей" работает так быстро (миллиарды раз в секунду), что может делать всё: считать, хранить информацию, показывать картинки и видео.
Главное: всё начинается с одного простого действия — управляющего сигнала , - он открывает или закрывает путь для электричества. Остальное - это просто миллиарды таких действий, соединённых вместе и исполняемых очень быстро.
Перечитали и поняли, - простого объяснения, как не старались, не получилось (
Ещё статьи по теме:
HELIOS vs Willow: новая эра квантовых вычислений.
Квантовый компьютер Google обогнал суперкомпьютеры в 13 000 раз.
Что такое полупроводник. Понятными словами.
12 ноября 1990 г. Рождение интернета.
19 октября 1985 г. Выпуск Microsoft Windows 1.0
2 ноября 1902 г. Рождение отца советской вычислительной техники.
#полупроводники #электроника #физика #кремний #технологии #наука #микроэлектроника