"Що здається нам дивом. Насправді таким не є!" - Симон Стевін
Але, що буде, якщо кота Шредінгера засунути в пляшку Клейна і обмотати все стрічкою Мебіуса.
«Клас! Ная фізика» - це class-fizika.spb.ru, class-fizika.narod.ru. class-fizika.ru.
Останнє оновлення 20.12.11 9:25 18.10.11 21:03
Ви питаєте, що таке напівпровідник і де їх можна побачити? - в "серце" мікропроцесорних чіпів, і в транзисторі. Будь-який пристрій, пов'язане з комп'ютером або використовує радіохвилі, прямо пов'язане із застосуванням напівпровідників.
Сьогодні, більшість напівпровідникових чіпів і транзисторів зроблені на основі кремнію. Ви, можливо, чули такі вирази, як "Кремнієва долина", "кремнієва економіка", "вік кремнію". І все це з тієї причини, що кремній є основою будь-якого електронного пристрою.
На малюнку показані (за годинниковою стрілкою зверху): чіп, світлодіод і транзистор - всі вони зроблені з напівпровідникового матеріалу - кремнію.
Найпростішим електронним пристроєм є діод. Тому діод можна розглядати як вихідну точку, якщо Ви хочете зрозуміти, як працюють напівпровідники. У цій статті ви дізнаєтеся, що таке напівпровідник, як впливають на його властивості домішки і якомога, використовуючи напівпровідники, створити діод.
Відкриємо таємниці кремнію.
Кремній - дуже поширений елемент. Наприклад, він є основним елементом в складі піску і кварцу. Якщо Ви подивіться на положення кремнію в періодичній таблиці Д.І. Менделєєва, то побачите, що він знаходиться за алюмінієм - Al, нижче вуглецю - C і вище германію - Ge.
Електронна структура вуглецю, кремнію і германію (германій, як і кремній, є напівпровідником) має унікальну властивість - кожен з них має чотири електрона на зовнішній електронній оболонці. Це властивість визначає можливість отримання прекрасних монокристалів цих елементів. Чотири електрона формують вчинені ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, створюючи грати. Вуглець, як ми знаємо, має кристалічну форму, відому як алмаз. Кристал кремнію - це сріблясте, схоже на метал, тверде тіло.
У кристалічній решітці кремнію все атоми кремнію утворюють хімічні зв'язки з чотирма сусідніми атомами. При цьому в кристалі кремнію немає вільних електронів і електричний струм через кристал протікати не може, особливо при низьких температурах. Тому кристал кремнію більше схожий на ізолятор, а не на провідник.
Метали, як правило, є хорошими провідниками електрики, тому що вони зазвичай мають "вільні електрони", які можуть легко переміщатися між атомами, а електричний струм в цьому випадку представляє собою потік електронів. У той час, як монокристали кремнію, зовні дуже схожі на метали, насправді вони не є металами Всі зовнішні електрони в кристалі кремнію утворюють вчинені ковалентні зв'язки з сусідніми кристалами, а тому не можуть переміщатися. Кристал кремнію з малою кількістю домішок по суті являє собою ізолятор - через нього при кімнатній температурі може протікати дуже маленький струм.
Додавання домішок в кремній - допирования кремнію
Якщо в кристал кремнію внести домішки - допированного кремній, то можна змінити властивості кремнію і перетворити його в провідник. При допирования кремнію в кристал вноситься невелика кількість домішки.
Існують два типи домішок: p-тип і n-тип.
При внесенні домішок n-типу в кристал кремнію додається невелика кількість фосфору - P або миш'яку - As. На зовнішній оболонці фосфору і миш'яку знаходяться п'ять електронів, які займають більше місця, ніж електрони атома кремнію. П'ятий електрон не утворює зв'язки з сусідніми атомами кремнію і тому може вільно рухатися в кристалі. Для того, щоб створити достатню кількість вільних електронів, необхідних для протікання електричного струму, потрібно зовсім невелика кількість домішки. Кремній n-типу є хорошим провідником. Так як електрони мають негативний заряд, то кристал кремнію з такими домішками і називається кремнієм n-типу.
При внесенні домішок p-типу в кристал кремнію додається невелика кількість бору - B або галію - Ga. На зовнішній електронній оболонці бору і галію знаходяться тільки три електрона. Коли ці домішки входять в кристал кремнію, вони утворюють "дірки" в решітці, в яких немає електронів. Відсутність одного електрона еквівалентно наявності одного позитивного заряду. Направлений рух дірок можна розглядати як електричний струм. Дірка відповідним чином "захоплює" електрон сусіднього атома і, отже, дірка переміщається в кристалі. Кремній p-типу - хороший провідник.
Отже, невелика кількість домішок n-типу або p-типу перетворює кристал кремнію з хорошого ізолятора в досить хороший провідник (хоча і з малою провідністю) - це властивість і дало назву "напівпровідник".
Властивості кремнію n-типу або p-типу не є нічим особливо дивного. "Чудо" і дуже цікаві властивості виникають тоді, коли поєднуєте разом кремній p-типу і n-типу, тобто при утворенні p-n - переходу.
Створення напівпровідникового діода
Діод - одне з найпростіших електронних пристроїв, яке можна виготовити з напівпровідника. Діод пропускає струм тільки в одному напрямку, в іншому напрямку струм через діод не проходить. Ви, звичайно, бачили турнікети на стадіоні або в метро, через які люди можуть проходити тільки водному напрямку. Образно кажучи, діод - це односторонній турнікет для електронів.
Якщо ви з'єднаєте разом кремній p-типу і n-типу так, як показано на малюнку, то станеться "чудо" - вийде діод з його унікальною властивістю пропускати струм тільки в одному напрямку.
Незважаючи на те, що окремо і кремній n-типу, і кремній p-типу непогано проводять струм, тобто є "поганими провідниками", їх комбінація, показана на схемі, не проводить електричний струм.
Негативно заряджені електрони в кремнії n-типу притягуються до позитивного полюса батареї.
Позитивно заряджені дірки притягуються до негативного полюса батареї.
Через перехід між кремнієм різного типу (pn - перехід) при такому підключенні батареї струм не протікає, тому що і електрони, і дірки переміщаються в "неправильному" напрямі ". Якщо Ви зміните полярність підключення батареї, діод буде прекрасно проводити електричний струм. Вільні електрони в кремнії n-типу будуть відштовхуватися від негативного полюса батареї. дірки в кремнії p-типу будуть відштовхуватися від позитивного полюса батареї. в області p-n - переходу між кремнієм p-типу і кремнієм n-типу вільні електрони і дірки і зустрічаються. Електрони заповнюють дірки, тобто відбувається явище, яке називається рекомбінація. Електрони і дірки припиняють своє існування, але на їх місце приходять нові електрони і дірки. В результаті рекомбінації через p-n - перехід протікає електричний струм.
Пристрій, який пропускає струм тільки в одному напрям, але не пропускає в зворотному напрямку, називає діодом. Діоди використовуються в найрізноманітніших пристроях і схемах. Наприклад, пристрої, які використовують батареї в якості джерела живлення, містять діод, який захищає пристрій при неправильному підключенні батарей. Діод просто не пропускає струм, якщо батарея підключена неправильно, тобто він захищає в пристрої чутливу електроніку. Звичайно, поведінка реального діода відрізняється від ідеального діода, які ми розглядали вище. На наступному малюнку показана вольтамперная характеристика реального діода:
Транзистори і чіпи
Транзистор створюється на основі використання трьох шарів напівпровідників, а не двох, використовуваних в діоді. Ви можете створити транзистор у вигляді npn або pnp "бутерброда". Транзистор може працювати як вимикач або як підсилювач.
Транзистор нагадує два діода, які включені назустріч один одному. Тоді можна подумати, що транзистор не проводитиме електричний струм, так як два зустрічно включених діода не пропускають струм ні в одному, ні в іншому напрямку. І це правда! Однак коли Ви пропустіть невеликий струм через центральний шар транзистора, набагато більший струм пройде через транзистор в цілому. Отже, транзистор може вести себе як вимикач. Невеликий струм може включати і вимикати набагато більший струм! Кремнієвий чип - невелика пластинка з кремнію, на якій виготовлено велику кількість транзисторів - кілька десятків мільйонів. З транзисторами, які діють як вимикачі, Ви можете створювати логічні схеми, на основі яких створюються мікропроцесорні чіпи. Природний процес розвитку: кремній - кремній з домішками - транзистор - чіп привів до того, що мікропроцесори та інші електронні пристрої стали недорогими і широко поширеними в сучасному суспільстві.
Фундаментальні наукові принципи, які лежать в основі роботи напівпровідникових приладів дивно прості. Дивом можна вважати постійне інженерне і технологічні застосування цих принципів для того, щоб сьогодні недорого створити десятки мільйонів транзисторів в одному чіпі.
Джерело: одомашнених фізика А.А.Богуславскій