Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Когда мы только-только начинали изучать электрические явления мы говорили о том, что существуют вещества только двух классов: вещества в которых возможно направленное движение носителей зарядов и назвали эти вещества проводниками. А другой класс веществ, в которых носители заряда, хотя и есть - заряженные частицы, но она "намертво закреплены" и такие вещества называются диэлектриками. Чуть-чуть позже мы с вами узнали, что проводник проводнику рознь. Разные, например, металлы имеют разное удельное сопротивление, т.е мы уже научились количественно описывать свойство проводников. И выяснили, что удельное сопротивление у металлов и диэлектриков меняется в определенных пределах...
И так мы увидели, что удельное сопротивление веществ лежит в широком диапазоне от проводников - металлов, до диэлектриков, но оказывается, что есть вещества удельное сопротивление которых меньше, чем у диэлектриков, но больше, чем у металлов. Как бы не до диэлектрики, но уже как бы и не проводники, такие вещества получили название полупроводники. И на этой лекции мы познакомимся, что это такое и как в них происходит направленное движение электрических зарядов и откуда они берутся. Давайте для начала определим, а в каком диапазоне удельного сопротивления находятся полупроводники по аналогии с металлами и диэлектриками.
И так мы определили в каком диапазоне лежит удельное сопротивление полупроводников. Ну а теперь зададим вопрос: а что же такое полупроводники? Можно сказать, что полупроводники - это вещества значение удельного сопротивления, которых лежат в указанных выше пределах, но дело в том, что указанные выше значения удельного сопротивления - это стандартные значения для полупроводников. Есть, так называемые, высокоомные проводники, сопротивление которых порядка 10 в десятой степени; и есть так называемые вырожденные полупроводники у которых удельное сопротивление 10 в минус шестой степени. Т.е количественно дать определение, что такое полупроводник ссылаясь на его удельное сопротивление будет не корректным. Но оказывается, что у полупроводников есть особенность, которая радикальным образом отличает свойство полупроводника от металлов. Это зависимость удельного сопротивления от температуры.
И смотря на приведенный выше график можно сказать, что к полупроводникам относятся вещества, в которых удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры. Но все дело в том, что кроме полупроводников есть и другие вещества сопротивление которых уменьшается с ростом температуры и мы с ними уже знакомы - это электролиты. У электролитов с ростом температуры увеличивается концентрация ионов и поэтому с ростом температуры удельное сопротивление электролитов становится меньше. По этой причине, например, автомобильный аккумулятор и обыкновенный гальванический элемент (батарейка) хуже работают на морозе, чем при более высокой, например, летней температуре. Давайте вспомним, что является носителем зарядов в электролите, какие частички? Ионы! Так вот в отличии от электролитов в полупроводниках свободными носителями зарядов являются электроны. И так к полупроводникам относятся вещества у которых удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры и свободными носителями зарядов являются не ионы, а электроны. Это не строгое определение основано исключительно на внешних свойствах проводника - это самое "первое" определение, что называется полупроводником и это определение было дано физиком Абрамом Федоровичем Иоффе его называют "отцом" физики полупроводников. И так согласно определению, данному Иоффе запишем, что относится к полупроводникам:
К полупроводникам относятся вещества удельное сопротивление которых уменьшается с ростом температуры, а протекание электрического тока обусловлено направленным движением электронов.
Одной из важнейшей особенностью полупроводников является, то что их удельное сопротивление зависит "буквально от всего на свете". На графике выше мы обсудили зависимость удельного сопротивления от температуры, но оказывается, что проводимость или удельное сопротивление проводников зависит так же от освещенности. Причем, эти зависимости очень резкие. Если например, удельное сопротивление металлов меняется на проценты, то удельное сопротивление полупроводника при том же изменении температуры меняется в разы. Т.е это очень яркое проявление данного эффекта. Зависимость от освещенности, вообще впечатляет...На примере сульфида кадмия можно оценить насколько изменяется удельное сопротивление этого полупроводникового соединения. Его удельное сопротивление в темноте и на на свету изменяется в десятки миллионов раз! Причем, в темноте - это почти диэлектрик, а на свету уже полупроводник. И такие материалы можно использовать для измерения количества света в различных фото приборах.
Далее удельное сопротивление полупроводников зависит от магнитного поля, от давления, от электрического поля.
Оказывается есть полупроводниковые приборы, которые позволяют анализировать состав газов, в которых находятся полупроводники, т.е от окружающей газовой среды.
Вот почему полупроводники столь популярны в наш век. Потому что они позволяют измерять огромное количество разных величин. И как мы уже говорили выше их электропроводность реагирует "буквально на все на свете". И, кстати, это одна из причин по которой не так-то просто сделать надежный полупроводниковый прибор, слишком уже на все он реагирует. И на этой лекции мы так же еще узнаем как реагируют полупроводниковые приборы на наличие в них примесей.
Полупроводников огромное количество и хочется сказать, что между полупроводниками и диэлектриками нет никакой качественной разницы. Различия между диэлектриками и полупроводниками исключительно количественные! Процессы, происходящие в диэлектриках и полупроводниках абсолютно одинаковые, отличающиеся только количественно. В металлах - все по-другому. В металлах электронные процессы протекают совершенно иначе, в них на квантовом уровне, другая система процессов, но эти процессы изучаются уже в рамках ВУЗовских курсов по физике.
Самыми простыми полупроводниками, т.е веществ, состоящих из одного сорта атомов являются кремний и германий. И на примере кремния мы с вами и будем рассматривать работу полупроводников. Давайте для начала глянем, где в периодической таблице Менделеева находятся самые "популярные" полупроводники...
И так три самых распространенных полупроводника в таблице Менделеева - это углерод, кремний и германий. И, кстати, углерод может существовать в двух кристаллических модификациях - графит и алмаз. Графит - это полупроводник. А алмаз - это диэлектрик, но опять-таки повторим, что его свойства те же самые, что и у полупроводника. Т.е углерод, в целом, относится к полупроводникам. Самым распространенным полупроводником является кремний. Мы с вами живем в "кремниевый век". Был когда-то "каменный век", "железный век", "бронзовый", а сегодня у нас на дворе "кремниевый век", потому что большинство полупроводниковых приборов делается на основе кремния. И поскольку этот полупроводник очень распространенный и его структура достаточна проста на примере кремния мы сейчас с вами попытаемся разобраться, что же в нем происходит на атомно-электронном уровне...и почему кремний так сильно реагирует на изменение температуры, на изменение освещенности, ну а магнитное или электрическое поле мы обсуждать не будем - это мы будем обсуждать на более поздних лекциях.
А теперь давайте построим структуру решетки кремния, если температура кристалла выше температуры абсолютного нуля.
Но эти две структуры не отражают того многообразия возможностей создания полупроводниковых приборов благодаря кремнию.
Давайте еще раз повторим.
"Электронная дырка" - это свободное место в валентной связи полупроводника.
В чистых полупроводниках возможны два вида тока: электронный и дырочный ток.
А теперь давайте поговорим о концентрации электронов и "электронных дырок" в кристаллической решетки кремния.
А теперь давайте посмотрим что будет происходить в полупроводнике, если в него добавлять примеси. Первой давайте добавим в качестве примеси фосфор, валентность которого превышает валентность кремния и которая равна пяти ( у кремния валентность - четыре)
А теперь давайте возьмем элемент валентность, которого ниже, чем у кремния, например алюминий валентность, которого три.
Таким образом, мы выяснили, что добавляя в полупроводниковый материал примеси можно изменять тип проводимости. Если взять собственный чистый кремний и добавить в него донорную примесь, то получится электронный полупроводник, а если добавить акцепторную примесь, то получится кремний с дырочной проводимостью...казалось бы ну и что...но оказывается, что самое интересное начинается, тогда когда приводятся в контакт полупроводник кремний электронный и кремний дырочный. И на контакте дырочного и электронного полупроводников одного и того же типа, так называемого p - n перехода начинаются очень интересные процессы. Подробно, что это за процессы и как они протекают мы узнаем на более поздних лекциях, но именно эти процессы ответственны за уникальные свойства полупроводниковых приборов. Мы сейчас об этом подробно говорить не будем, а, пока, просто, давайте проведем некоторый обзор полупроводниковых приборов...давайте начнем с диодов...
далее световые диоды...
далее транзисторы...
И наконец из полупроводниковых приборов можно собирать различные микросхемы...
фотодатчики...
И наконец большие интегральные микросхемы, содержащие в себе миллиарды транзисторов.
Так что мы с вами живем в кремниевый век благодаря уникальному свойству полупроводниковых приборов. Подробности в дальнейших лекциях.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.