Как работают полупроводники

Полупроводники оказали огромное влияние на наше общество. В основе микропроцессорных чипов лежат полупроводники, а также транзисторы. Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников.

Сегодня большинство полупроводниковых чипов и транзисторов изготавливаются из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Силиконовая долина» и «кремниевая экономика», и вот почему кремний — это сердце любого электронного устройства.

Диод — это самый простой полупроводниковый прибор, поэтому он является отличной отправной точкой, если вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как можно создать диод с использованием полупроводников. Но сначала давайте внимательно посмотрим на кремний.

Кремний — очень распространенный элемент, например, он является основным элементом песка и кварца. Если вы посмотрите «кремний» в таблице Менделеева, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.

Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, также является полупроводником) обладают уникальным свойством электронной структуры — каждый имеет четыре электрона на внешней орбитали. Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, образуя решетку. Кристаллическая форма углерода известна как алмаз. Кристаллическая форма кремния представляет собой серебристое вещество, имеющее металлический вид.

Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, поскольку обычно имеют «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество предполагает поток электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле они не являются металлами. Все внешние электроны в кристалле кремния связаны идеальными ковалентными связями, поэтому они не могут перемещаться. Кристалл чистого кремния является почти изолятором: через него проходит очень мало электричества.

Но все это можно изменить с помощью процесса, называемого допингом.

Вы можете изменить поведение кремния и превратить его в проводник, легировав его. При легировании вы подмешиваете небольшое количество примеси в кристалл кремния.

Существует два типа примесей:

Незначительное количество легирования N- или P-типа превращает кремниевый кристалл из хорошего изолятора в жизнеспособный (но не отличный) проводник – отсюда и название «полупроводник».

Кремний N-типа и P-типа сами по себе не так уж удивительны; но когда вы соединяете их вместе, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Вот что происходит в диоде.

Диод – это простейший полупроводниковый прибор. Диод пропускает ток в одном направлении, но не в другом. Возможно, вы видели турникеты на стадионе или станции метро, которые пропускают людей только в одном направлении. Диод — это турникет с односторонним движением для электронов.

Когда вы соединяете кремний N-типа и P-типа, как показано на этой схеме, вы получаете очень интересное явление, которое придает диоду его уникальные свойства.

Несмотря на то, что кремний N-типа сам по себе является проводником, а кремний P-типа сам по себе также является проводником, комбинация, показанная на схеме, не проводит никакого электричества. Отрицательные электроны в кремнии N-типа притягиваются к положительной клемме батареи. Положительные отверстия в кремнии P-типа притягиваются к отрицательной клемме батареи. Через переход ток не течет, поскольку дырки и электроны движутся в неправильном направлении.

Если перевернуть батарею, диод прекрасно проводит электричество. Свободные электроны в кремнии N-типа отталкиваются отрицательной клеммой батареи. Отверстия в кремнии P-типа отталкиваются положительным полюсом. На стыке кремния N-типа и кремния P-типа встречаются дырки и свободные электроны. Электроны заполняют дырки. Эти дырки и свободные электроны перестают существовать, и их место занимают новые дырки и электроны. В результате через переход течет ток.

Блог