Тут для понимания необходим некий экскурс в материаловедение на уровне отдельных атомов. Постараюсь объяснить как можно проще. Как известно, химические вещества, имеют различные свойства, которые навязывает им строение их атомов. От этого зависит, например, умеют ли отдельные атомы выстраиваться в кристаллическую решётку, как это делают металлы при определённом диапазоне температур. Так же это делают и отдельные вещества, которые называются неметаллы. У атомов электроны могут существовать на различных энергетических уровнях. Внешний уровень содержит наименее привязанные к данному атому электроны. У металлов, в отличие от многих других веществ, на внешнем уровне всегда мало электронов – от одного до трёх. Ну так получилось у них. И вот эти самые внешние электроны у металлов, настолько непривязаны к атому, что легко могут перескакивать от одного атома к другому соседнему. Достаточно нескольким атомам металла собраться вместе, как эти внешние электроны становятся не принадлежащими одному какому-то атому, но становятся общим достоянием всего скопища одинаковых атомов. Электроны будут совершать всё время хаотичные перескоки. Более того, вся кристаллическая решётка в металлах, как раз и не разваливается за счёт этих внешних электронов. Так как стоит электрону уйти с орбиты, и атом становится положительным ионом, которому что-то не хватает. Без электрона он приобретает положительный заряд. Положительный ион просто жаждет приобрести хотя бы другой, да хоть какой уж, завалященький, но электрон. Да и электроны тянутся к положительным ионам. Противоположные заряды притягиваются. И пока этот электрон еще не пришёл, положительный ион тянется к соседним, более отрицательным. Так они, эти атомы и не разваливаются из решётки, периодически ощущая нехватку электронов, пусть и на мгновение. Внешние электроны в металлах становятся как бы сами по себе, образуя облако свободных электронов, а положительные ионы сами по себе, но друг другу они тянутся и если б никто не мешал, они бы воссоединились навеки (положительный ион с электроном). Это и есть так называемые свободные электроны, за счёт которых протекает электрический ток в металлах. Достаточно приложить разность потенциалов и возникнет направленный, электрический ток. Чем больше ток, тем больше будет таких не упокоенных зарядов, которые толкают друг друга дальше, дальше по решётке. Конечно не один и тот же электрон летит от одного атома к атому. Просто один вышибает другой из соседнего атома, а тот вышибает следующий и так далее.
Есть также такие вещества, ПОЛУПРОВОДНИКИ, которые имеют на внешнем уровне каждого атома по четыре электрона. Такие вещества тоже образуют кристаллические решётки, и так же за счёт взаимодействия внешних электронов. Эти внешние электроны называют еще ВАЛЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ, а связи между атомами КОВАЛЕНТНЫЕ. Наверное где-то слышали? Но связи здесь интереснее. Как только электрон перелетает на внешний уровень соседнего атома в решётке, он вышибает оттуда один из четырёх, имеющихся там «своих» электронов, и тот занимает место первого. И теперь не найти отдельным атомам, который из них свой, а который соседский. Вы скажете, зачем они это делают? А тут просто соседние в решётке атомы не могут поделить между собой два электрона и они становятся общими для этих двух атомов. Жадность я считаю! На самом деле, атомы здесь так уплотняются друг с другом, что каждый из них просто перестаёт быть индивидуальной системой. И так каждый атом делает ещё для трёх соседних атомов. Валентных электронов-то по четыре на каждый атом. То есть можно сказать, что электронное облако здесь образуется между каждыми двумя соседними атомами, но в каждом таком облаке всего по два электрона. Этого достаточно, чтобы удерживать соседние атомы между собой. Справа на рисунке маленькими кругляшами показаны места, где можно изловить электроны. Оказывается, они там на самом деле не кружатся как планеты вокруг звёзд, а просто шифруются в местах вероятного местонахождения. Пойди поймай их ещё!
Полупроводниками являются такие вещества как, например, КРЕМНИЙ, ГЕРМАНИЙ. В чистом виде в природе они не встречаются. Их выделяют химическим путём при высоких температурах из различных пород. Плавят, очищают и кристаллизуют. Но даже чистый кремний или германий, не могут быть идеально чистыми, а иногда содержать в кристаллической решётке вкрапления трёхвалентных или пятивалентных атомов. Из-за вкрапления примесей – отдельных атомов других веществ с соответствующей валентностью. В специально изготовленных кристаллах чистых полупроводников, таких примесей очень немного, но они попадаются, а это значит, что вещество полупроводника в принципе способно их содержать.
Так вот, полупроводники совсем не содержащие примеси, люди на практике почти не используют! В чистые полупроводники, за счёт различных полуколдовских манипуляций, которые имеют общее название ЛЕГИРОВАНИЕ, специально внедряют пяти или трёхвалентные вещества-примеси. По крайней мере в те области чистого полупроводника, которые планируются для выращивания на них транзисторов, диодов и других полупроводниковых элементов. Обычно с этой стороны поверхность заранее готовят. Делают ровный срез кристалла, который потом тщательно шлифуют и полируют. А затем выбирают метод легирования (их существует точно более пяти) и приступают… Какие это методы… Всякие, от диффузного до транс-мутационного. Это всё же не позапрошлый век! Наука на месте не сидит. Если сильно интересуют методы, то загуглите, например, легирование кремния. Конечно, их изобрели каждый не от хорошей жизни. Если бы был один идеальный метод, про остальные бы моментально забыли! Но нам самим легирование не понадобится, достаточно знать, что такие технологии существуют и к чему они приводят в конце концов.
А приводят они в внедрению довольно редких атомов примесей. Если внедряют такие примеси, как например сурьма или мышьяк, то это пятивалентные атомы и, в отдельных атомах такого полупроводника появляются избыточные электроны. То есть появляются свободные электроны! Пусть их здесь и не так много как в металлах, но всё же. Появляется ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ. Такой полупроводник называется полупроводник доНор-типа или просто n-типа, от слова negative, имея ввиду отрицательные носители заряда. Потому, что примесь является как бы донором дополнительных электронов, добавляет их. В таком полупроводнике уже возможно вызвать электрический ток, почти как в обычном проводнике, правда сопротивление будет конечно повыше чем в металле, так как свободных электронов значительно меньше. Если нужно получить ток, то на разных сторонах кристалла n-типа напыляют металл и припаивают или приваривают выводы-провода, через которые подают разность потенциалов.
Если же за счёт легирования внедряют такие примеси, как например индий, галлий, алюминий (в виде отдельных атомов), то так как это трёхвалентные атомы, каждый атом такой примеси установит ковалентную связь за счёт трёх внешних электронов с тремя окружающими атомами кремния. Для установки связи с, четвёртым атомом, такому атому примеси нужен ещё один, какой-либо посторонний электрон. Так появляются вакантные места для электронов. Так называемые ДЫРКИ! Дырка работает как положительный заряд в противоположность к электронам. Дырка может быть заполнена пришедшим откуда-то с соседних атомов электроном, но тогда там, откуда пришёл электрон, появится дырка. То есть дырка как бы переместится в сторону, откуда пришёл электрон. Можно сказать, переместился положительный заряд, хотя все атомы остались на своих местах. Отдельные дырки могут делиться между собой и соседними атомами залётными электронами, особенно при возникновении разности потенциалов. Такой полупроводник называется полупроводник акцеПтор-типа или просто p-типа (от слова positive - положительный). Потому, что примесь является как бы потребителем (акцептором) электронов, убавляет их. Ток в таком проводнике осуществляется за счёт дырок, от плюса к минусу разности потенциалов.
Однако с практической точки зрения, важны не сами по себе полупроводники с примесями, а их поведение на границе перехода из одного типа в другой. Имеется ввиду так называемый p-n-переход. Как именно соединяют между собой p и n полупроводники? Нет-нет, конечно не пришлифовывают друг к другу. Просто сначала легированием образуют область, например n-типа, а уже в ней легируют область p-типа, но поменьше. Напыляют металлические контакты прямо на нужные области и приваривают к ним металлические выводы. Это только один из способов. Подробнее здесь https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/elektronno-dyrochnyj-p-n-perexod.html
Кристалл полупроводника, который содержит p-n-переход, оснащённый выводами и защитным корпусом, образует ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД. Конечно, все слышали про такую деталь, но не все в точности понимают, как она работает. Вывод диода, подключенный к p-области, называется АНОД, а к n-области, называется КАТОД.
Казалось бы, что уже в момент создания диода, все свободные электроды из области n-типа быстро так скок-скок и компенсируют все дырки в p-области, и после этого всё устаканится и деталь превратится собственно в диэлектрик. Однако нет! Часть электронов действительно проникнет из n-области в p-область, на толщину нескольких атомов от перехода, но там они и останутся. Дело в том, что эти электроны скомпенсируют все дырки там, куда они проникнут и в этом месте полупроводник будет работать как полупроводник без каких либо примесей. То есть возле p-n-перехода, на толщину нескольких атомов, потеряется и электронная и дырочная проводимость. Возникнет как бы запирающий слой для проникновения новых электронов.
Если приложить разность потенциалов между выводами диода так, чтобы к катоду диода был подключен плюс, а к аноду минус, запирающий слой на p-n-переходе будет расширен. Свободные электроны в области n-типа, стремясь к плюсу, подвинутся в его сторону, но ток при этом не образуется, так как через p-n-переход через обеднённую область, новые заряды сюда не поступят, а запирающий слой только возрастёт. Тоже самое произойдёт и с дырками в p-области, они тоже отодвинутся от p-n-перехода. Толщина запирающего слоя в таком случае зависит от напряжения, и иногда это тоже полезно, если учесть то, что запирающий слой это по сути диэлектрик и его толщину можно регулировать величиной напряжения. Это используется в специальных диодах, которые называются ВАРИКАПЫ. Там напряжением регулируется ёмкость конденсатора, который образуется в запирающем слое. В любом случае, когда на катод диода подаётся плюс относительно его анода, то говорят, что диод находится под ОБРАТНЫМ напряжением, и он ЗАКРЫТ для протекания тока. Важно чтобы это обратное напряжение не превысило предельно-допустимого значения, иначе можно его в общем случае испортить.
Однако если приложить разность потенциалов между анодом и катодом диода – в некоторых диодах достаточно 0,3 V на аноде относительно катода (зависит от материала – кремний или германий и др., технологии производства, температуры и других условий), и этот запирающий слой, будет преодолён, возникнет значительный ток через диод. Говорят, что диод ОТКРОЕТСЯ. Важно понимать, что ток открытого диода, как правило, нужно как-то ограничивать в электрической цепи, так как слишком большой ток также может испортить диод. В частности, на открытом диоде обычно падение напряжения не может превышать примерно 0,7 V, иначе через него потечёт слишком большой ток.
Эта тема достаточно тяжела для понимания, поэтому я конечно старалась в чём-то упрощать свой рассказ, чтобы не перегрузить и не отбить желание разбираться дальше. Конечно же, на эту тему существует множество различных пояснений, удачных и не очень. Однако этого достаточно для дальнейшего понимания.
В качестве поясняющего видео, настоятельно порекомендую вот это
https://yandex.ru/video/preview/6881468527039676026
и вот это
https://yandex.ru/video/preview/7910487895386570848
Здесь конечно вы можете найти нечто новое, однако оно не перегрузит вас и, если что, к этому потом можно ещё раз вернуться.
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru