Кремний - полупроводник. Что же это значит?
Вещество проводит электрический ток при одновременном наличии двух требований:
1) Наличие носителей заряда (наличие заряженных частиц).
2) Их подвижность.
Атом кремния имеет 4 валентных электрона, все 4 валентных электрона образуют ковалентные связи с другими атомами кремния, соответственно, подвижных электронов здесь нет. Кремний, имеет макромолекулярную структуру, такую же как алмаз. Но алмаз не проводит электрический ток, а кремний - полупроводник.
При низких температурах все электроны связаны, но при нагревании, облучении и других аналогичных воздействиях, некоторые связи вибрируют все сильнее и разрываются, что позволяет отдельным электронам стать "свободными". На месте разорвавшейся связи образуются вакантные места "дырки", обладающие положительным зарядом. Электрон из соседней связи может перескочить в эту дырку, в свое время дырка перемещается на его место.
Размер атомов углерода слишком мал и для разрыва прочных ковалентных связей требуется очень большое количество энергии, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Радиус атома кремния больше, поэтому ковалентные связи кремния слабее связей в алмазе, что позволяет кремнию быть полупроводником. Размер атомов германия еще больше. Поэтому германий тоже полупроводник. Однако германий будет обладать меньшей устойчивости к температурам, поэтому он проигрывает кремнию в полупроводниковой промышленности.
Если мы говорим о чистом кремнии - проводимость собственная. На рисунке (a) все электроны прочно сидят на своих местах. На рисунке (б) некоторые электроны высвободились. В собственной проводимости количество электронов и дырок одинаково и электрический ток проводится одновременно с помощью свободных электронов и "дырок".
Собственная проводимость невелика. Поэтому кремний легируют, добавляя примеси, чтобы увеличить проводимость.
В зависимости от того, какую примесь добавить - можно создать два разных типа полупроводников с примесной проводимостью.
На данном рисунке изображен только один тип, но с разными названиями. Каждое название заменяет друг друга, но описывает полупроводник с разных точек зрения.
Термин "электронная проводимость" описывает тип носителя заряда. Электрический ток проходит из-за того, что свободные электроны физически перемещаются по кристаллической решетке между атомами.
Термин "донорная проводимость" описывает тип добавленной примеси - примеси донорного типа. Это элементы 15 группы, где 5 валентных электронов, 4 из которых будут образовывать ковалентные связи с атомами кремния, а пятый может свободно перемещаться. Примеси донорного типа увеличивают количество свободных электронов.
Термин "n-проводимость" описывает тип полупроводника: полупроводник n-типа. n - от слова negative - отрицательный заряд носителей заряда - электронов.
Точно также и другой тип полупроводимости.
Термин "дырочная проводимость" описывает тип носителя заряда. Электрический ток проходит из-за того, что электроны перескакивают из одной разорванной связи в другую.
Термин "акцепторная проводимость" описывает тип добавленной примеси - примеси акцепторного типа. Это элементы 13 группы, где 3 валентных электронов, которые будут образовывать ковалентные связи с атомами кремния. Но, как мы помним, у кремния 4 валентных электрона. Для одного из них не найдется пары, поэтому образуется вакантное место "дырка" в которую будут перемещаться электроны из соседних связей. После такого перемещения, на месте разорванной связи будет образовываться дырка. Примеси акцепторного типа увеличивают количество дырок.
Термин "p-проводимость" описывает тип полупроводника: полупроводник p-типа. n - от слова positive - положительный заряд носителей заряда - дырок.
Сами по себе отдельные пластины полупроводников n-типа и p-типа мало где применяется. Но если соединить их вместе, на стыке образуется p-n переход. Это зона, которая пропускает ток только в одну сторону. На основе этого физико-химического эффекта работают все диоды, транзисторы и, как следствие, процессоры компьютеров и смартфонов.