Тема 4.Градивни елементи-полупроводници

[spp]

Реших да продължим с темите,а практиката за кондензаторите да я направим заедно с тази на полупроводниците.
И така да започваме.
Името полупроводници ни говори ,че този клас елементи ще заема място между проводниците и изолаторите(диалектрици).Основни представители на този клас са Силиция,Германия,Селена и др.Това са основните материали,които служат за направата на съвремените диоди,транзистори и интегрални схеми.Трябва доре да разберем,как работят,защото без тези ни познания ,няма да можем да разберем и работата на транзисторите,диодите и интегралните схеми.
Няма да се спирам на строежа на веществата.Това всеки един от вас трябва да го знае.Ако случайно има колебания по въпроса,моля да прочетете уроците по химия за изясняването му.
Какво е важно да знаем обаче.
Много вещества в природата са изградени от дребни кристали.Такива са захарта,гранита и др.Тези структори се наричат поликристалиТова са множество малки кристали,които са здраво свързани помежду си и изграждат едно тяло.
В природата обаче съществуват и вещества на които цялото тяло е изградено от един единствен кристал.Тези структури се наричат монокристалиНие ще говорим само за монокристалите.[/b]

[spp]

Сега отново ще поговорим за електрическия ток.Знаем вече,че електрическия ток представлява насочено движение на свободни токоносители.Благодарение именно на тези токоносители можем да имаме проводници(вещества,които провеждат електрическия ток) и диалектрици(вещества,на които липсват свободни токоносители и те не провеждат електрически ток)

На картинката е показан строежа на един проводник.Почти всички метали имат кристална структура.Кристалната им решетка е изградена от положителни йони ,които се намират във възлите и.Благодарение на топлината електроните от последния слои се отделят от атома и стават свободни.Именно това са и нашите токоносители.На картинката с син цвят са електроните а с жълт йоните.
Разбира се електроните могат да рекомбинират с образувалите се йони(да ги привлекат) и отново да се отделят.Като цяло обаче метала си остава електро неутрален.С други думи броя на йоните отговаря точно на количеството свободни електрони.
Ето и една картина на диалектрик.тук ясно се вижда ,че липсват токоносители и даже и да приложим в двата края електродвижещо напрежение,ток няма да протече.

Това се дължи на свойствата на веществата.Просто тук на електроните им трябва много голяма енергия ,за да се отделят от атома,за да се превърнат в токоносители.

[spp]

Сега да видим как,ще се държи един полупроводник при стайна температура.За целта ще погледнем отново строежа на полупроводниците.И тук имаме свободни електрони,но за разлика от металите,те са по-малко при стайна температура

Ето от къде е дошло и името им.При стайна температура,те заемат средно място между проводниците и диалектриците.С повишаване на температурата им проводимостта им се увеличава,за разлика от металите.
Основни характеристики на полупроводниците.
1-При стайна температура,те заемат средно място между проводниците и диалектриците.
2-Прибавянето на нищожни по количество примеси много силно променя тяхната електрическа проводимост.
3-Температурата силно влияе на електрическото им съпротивление.С повишаването и то намалява.Обратно на металите.
4-Механизмът им на провеждане на електрическия ток е корено различен от този на металите.При полупроводниците имаме два вида токоносители.Свободни електрони и дупки.
Всички тези своиства и тяхното приложение в полупроводниковите елементи ще разгледаме подробно.

[spp]

На тази картинка виждаме какво става в полупроводниците при стайна температура.Вече казахме ,че нас ни интересуват монокристалите.На практика имаме исползване от две ядра на един и същ електрон.Когато температурата достигне абсолютната нула полупроводника се превръща в идеален диалектрик.С повишаването на температурата обаче някои от електроните могат да напуснат орбитата си около ядрата.Един такъв случай е показан на скицата.Ядрата на двата съседни атома.които ползват общо електрона са положителен заряд.След като електрона се е откъснал няма кои да компенсира положителният им заряд .Точно това място в полупроводниците е наречено дупка и се явява основен признак за полупроводниците.В чистия полупроводник,които разглеждаме(а това е полупроводник в които няма примеси)броя на дупките,отговаря точно на броя на свободните електрони.Разбира се полупроводника остава електро неутрален ,защото електроните и дупките се движат хаотично.Свободните електрони се улавят от дупките и отдават постоянно.При увеличаване на температурата този процес се засилва.
На скицата с червено е означена дупката(двете положителни ядра) а със син цвят отделилия се електрон.Със жълто са електронеутралните ядра.Със син цвят електроните,които кръжат около ядрата на силициевия атом

[spp]

Вече споменахме,че примесите оказват много голямо влияние на полупроводниците.Много малко количество примеси рязко могат да увеличат електрическата проводимост на диалектрика.
Ако към чистия силиций добавим един от следните елементи,арсен,фосфор и други от пета валентност то ще се получи следната картина в кристала.

Тъй,като примеса,които добавяме е от пета валентност,неговите четири валентни електрона се свързват с четрите съседни силициеви атома.Петият му валентен електрон остава свободен.Този вид проводимост се нарича N-проводимости токоносители са електроните.На скицата за удобство са ползвани следните цветове и символи.
Червен цвят-атома на донора в случая антимон Sb
Жълт цвят- атомите на силиция
Син цвят-електроните
Черни удебелени линий-изградените връзки на донора със силициевите атоми.

[spp]

Ако,към чиаст силиций добавим един от следните примеси,алуминий,индий и др от трета валентност .Кристала ще изглежда по този начин.

Тук тъй,като силиция е от четвърта валентност акцептора(примеса) от трета валентност се свързва с три силициеви атома,като четвъртата връзка остава незаета.Образува се дупка.Такава проводимост се нарича P-проводимостИ тук за по-добро разбиране цветово са показани следните елементи
Червен цвят-акцепторен атом
Жълт цвят-силициев атом
Черна удебелена линия-връзки между акцепторния и силициевите атоми
Червен удебелен цвят-Дупка
Тук основните токоносители са дупките.
И в двата случая на проводимост кристала остава електро неутрален.
Разбира се това ,което пиша тук е най-общо за диалектриците.Мисля,че е минимума за тяхното разбиране.За по-подробно вникване в нещата,ще трябва да прочетете допълнително.
Остава ни да видим ,какво ще стане ,когато съединим двата типа проводимост.

[spp]

Какво става,когато допрем два прехода?Тук думата допрем разбира се не е най-точната.Става въпрос на молекулярно ниво.
Получава се един нов преход.Наречен PN-преход.За да разберем всичко по-нататък ще направим опростяване на схемата и ще уточним някой неща.
Първо ще премахнем от схемата неутралните атоми на силиция,защото те не ни интересуват за момента.
Второ-Ще приемем ,че токоносителите са САМО дупките при Р прехода и САМО електроните при N-прехода.Или това са основните токоносители.Ние знаем ,че реално това не е така.В реалността имаме и неосновни токоносители.Това за Р прехода са елелктроните и за N прехода дупките.
Картината на съединените преходи е тази.

Свободните основни токоносители ,които се намират близо и в зоната на контакт на двата слоя са рекомбинирали веднага .В Р кристала са навлезнали електрони и са запълнили липсващата връзка между атомите.N Кристала е дал обаче своите електрони .И в двата случая атомите вече не са електро неутрални.Атомите на N кристала са изгубили електрон и са положително заредени.Тези на Р кристала са получили допълнително електрон и са отрицателно заредени.Образуват се статични заряди.Те от своя страна образуват вътрешно електрическо поле Ео ,което има своя големина и посока.Посоката му е от положителните към отрицателните заряди.Полето спира нататъшното рекомбиниране на токоносители.Настъпва равновесие.В пограничния слой при рекомбинацията,вече не са останали токоносители и неговото съпротивление се е доближило до това на чистия силиций,което е високо.Поради тази причина тази зона се нарича още-спиращ слой