Bóng bán dẫn Phần 2. Chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn

Bắt đầu bài viết: Lịch sử bóng bán dẫn, Transitor: mục đích, thiết bị và nguyên tắc hoạt động

Trong kỹ thuật điện, các vật liệu khác nhau được sử dụng. Tính chất điện của các chất được xác định bởi số lượng electron trong quỹ đạo hóa trị bên ngoài. Càng ít electron trong quỹ đạo này, chúng càng liên kết với hạt nhân càng yếu, chúng càng dễ đi lại.

Dưới tác động của biến động nhiệt độ, các electron tách ra khỏi nguyên tử và di chuyển trong không gian liên kết. Các electron như vậy được gọi là tự do, và chúng tạo ra một dòng điện trong các dây dẫn. Có một không gian tương tác lớn, có chỗ cho các electron tự do di chuyển bên trong vật chất không?

Cấu trúc của chất rắn và chất lỏng dường như liên tục và dày đặc, gợi nhớ đến cấu trúc của một quả bóng sợi. Nhưng trên thực tế, ngay cả chất rắn cũng giống như lưới đánh cá hoặc bóng chuyền. Tất nhiên, điều này không thể được nhận thấy ở cấp độ hộ gia đình, nhưng nó đã được thiết lập bởi các nghiên cứu khoa học chính xác rằng khoảng cách giữa các electron và hạt nhân của các nguyên tử lớn hơn nhiều so với kích thước của chúng.

Nếu kích thước của hạt nhân nguyên tử được biểu diễn dưới dạng một quả bóng có kích thước bằng một quả bóng đá, thì các electron trong mô hình này sẽ có kích thước bằng hạt đậu và mỗi hạt đậu như vậy nằm ở "lõi" ở khoảng cách vài trăm và thậm chí hàng nghìn mét. Và giữa hạt nhân và điện tử là sự trống rỗng - đơn giản là không có gì! Nếu chúng ta tưởng tượng khoảng cách giữa các nguyên tử của vật chất trên cùng một tỷ lệ, kích thước sẽ trở nên tuyệt vời - hàng chục và hàng trăm km!

Chất dẫn điện tốt là kim loại. Ví dụ, các nguyên tử vàng và bạc chỉ có một electron ở quỹ đạo bên ngoài, do đó chúng là những chất dẫn điện tốt nhất. Sắt cũng dẫn điện, nhưng hơi tệ.

Dẫn điện thậm chí còn tệ hơn hợp kim kháng cao. Đây là nichrom, manganin, Constantan, fechral và những người khác. Một loạt các hợp kim có điện trở cao như vậy là do chúng được thiết kế để giải quyết các vấn đề khác nhau: các bộ phận gia nhiệt, đồng hồ đo biến dạng, điện trở tham chiếu cho các dụng cụ đo, và nhiều hơn nữa.

Để đánh giá khả năng dẫn điện của vật liệu, khái niệm về "Độ dẫn điện". Giá trị trả về là điện trở suất. Trong cơ học, các khái niệm này tương ứng với trọng lực cụ thể.

Cách điện, không giống như dây dẫn, không có xu hướng mất electron. Trong đó, liên kết của electron với hạt nhân rất mạnh và hầu như không có electron tự do. Chính xác hơn, nhưng rất ít. Đồng thời, trong một số chất cách điện có nhiều trong số chúng, và chất lượng cách điện của chúng, theo đó, là tồi tệ hơn. Nó là đủ để so sánh, ví dụ, gốm sứ và giấy. Do đó, cách điện có điều kiện có thể được chia thành tốt và xấu.

Sự xuất hiện của các điện tích tự do ngay cả trong các chất cách điện là do sự dao động nhiệt của các điện tử: dưới tác động của nhiệt độ cao, các tính chất cách điện bị suy giảm, một số điện tử vẫn có thể tách ra khỏi hạt nhân.

Tương tự, điện trở suất của một dây dẫn lý tưởng sẽ bằng không. Nhưng may mắn thay, không có nhạc trưởng nào như vậy: hãy tưởng tượng định luật Ohm ((I = U / R) sẽ như thế nào với số 0 trong mẫu số !!! Chia tay toán học và kỹ thuật điện.

Và chỉ ở nhiệt độ không tuyệt đối (-273,2 ° C), dao động nhiệt hoàn toàn dừng lại, và chất cách điện tồi tệ nhất trở nên đủ tốt. Để xác định số điện tử, điều này rất tệ - sử dụng tốt khái niệm điện trở suất. Đây là điện trở trong Ohms của khối lập phương có chiều dài cạnh 1 cm, kích thước của điện trở suất thu được tính bằng ohms / cm. Điện trở cụ thể của một số chất được hiển thị dưới đây.Độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, là đơn vị đo lường của Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Chúng có độ dẫn điện tốt hoặc điện trở suất thấp: bạc 1,5 * 10 ^ (- 6), đọc cách (một và một nửa đến mười cho công suất trừ sáu), đồng 1,78 * 10 ^ (- 6), nhôm 2,8 * 10 ^ (- 6). Độ dẫn điện của hợp kim có điện trở cao kém hơn nhiều: hằng số 0,5 * 10 ^ (- 4), nichrom 1.1 * 10 ^ (- 4). Những hợp kim này có thể được gọi là dây dẫn xấu. Sau khi tất cả các số phức, thay thế Ohm / cm.

Hơn nữa, chất bán dẫn có thể được phân biệt thành một nhóm riêng biệt: gecmani 60 Ohm / cm, silicon 5000 Ohm / cm, selen 100 000 Ohm / cm. Điện trở suất của nhóm này lớn hơn so với các chất dẫn điện xấu, nhưng ít hơn so với các chất cách điện xấu, chưa kể đến các chất dẫn điện tốt. Có lẽ, với cùng một thành công, chất bán dẫn có thể được gọi là bán cách điện.

Sau một thời gian ngắn làm quen với cấu trúc và tính chất của một nguyên tử, người ta nên xem xét cách các nguyên tử tương tác với nhau, các nguyên tử tương tác với nhau như thế nào, các phân tử được tạo ra từ chúng như thế nào, từ đó các chất khác nhau được tạo thành. Để làm điều này, một lần nữa bạn sẽ phải nhớ các electron trong quỹ đạo bên ngoài của nguyên tử. Rốt cuộc, chính họ là những người tham gia vào liên kết các nguyên tử thành các phân tử và xác định tính chất vật lý và hóa học của vật chất.

Nguyên tử được tạo ra từ nguyên tử như thế nào

Bất kỳ nguyên tử nào ở trạng thái ổn định nếu có 8 electron trong quỹ đạo ngoài của nó. Anh ta không tìm cách lấy electron từ các nguyên tử lân cận, nhưng anh ta không từ bỏ chính mình. Để xác minh điều này, nó là đủ trong bảng tuần hoàn để xem xét các khí trơ: neon, argon, krypton, xenon. Mỗi trong số chúng có 8 electron ở quỹ đạo bên ngoài, điều này giải thích sự miễn cưỡng của các khí này khi tham gia vào bất kỳ mối quan hệ (phản ứng hóa học) nào với các nguyên tử khác, để tạo ra các phân tử hóa học.

Tình hình khá khác nhau đối với những nguyên tử không có 8 electron ấp ủ trong quỹ đạo bên ngoài của chúng. Các nguyên tử như vậy thích hợp nhất với các nguyên tử khác để bổ sung quỹ đạo bên ngoài của chúng lên tới 8 electron và tìm trạng thái ổn định bình tĩnh.

Ví dụ, phân tử nước nổi tiếng H2O. Nó bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, như trong hình. 1.

Vẽ 1. Làm thế nào một phân tử nước được tạo ra.

Ở phần trên của hình, hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy được hiển thị riêng biệt. Có 6 electron trong quỹ đạo ngoài của oxy và hai electron ở hai nguyên tử hydro ở gần đó. Oxy cho đến khi số 8 ấp ủ chỉ thiếu hai electron ở quỹ đạo bên ngoài, mà anh ta sẽ nhận được bằng cách thêm hai nguyên tử hydro vào chính mình.

Mỗi nguyên tử hydro thiếu 7 electron trong quỹ đạo bên ngoài của nó để có được hạnh phúc trọn vẹn. Nguyên tử hydro đầu tiên nhận được ở quỹ đạo ngoài 6 electron từ oxy và một electron khác từ sinh đôi của nó - nguyên tử hydro thứ hai. Hiện có 8 electron trong quỹ đạo ngoài cùng với electron của nó. Nguyên tử hydro thứ hai cũng hoàn thành quỹ đạo bên ngoài của nó đến số ấp ủ 8. Quá trình này được thể hiện ở phần dưới của hình. 1.

Trong hình 2 Quá trình kết hợp các nguyên tử natri và clo được hiển thị. Kết quả là natri clorua, được bán trong các cửa hàng gọi là muối.

Vẽ 2. Quá trình kết hợp các nguyên tử natri và clo

Ở đây cũng vậy, mỗi người tham gia nhận được số electron còn thiếu từ người kia: clo gắn một electron natri duy nhất vào bảy electron của chính nó, trong khi nó đưa các nguyên tử của nó vào nguyên tử natri. Cả hai nguyên tử ở quỹ đạo bên ngoài đều có 8 electron, đó là nơi đạt được sự thỏa thuận và thịnh vượng đầy đủ.

Hiệu lực của các nguyên tử

Các nguyên tử có 6 hoặc 7 electron trong quỹ đạo ngoài của chúng có xu hướng gắn 1 hoặc 2 electron vào chính chúng. Họ nói về các nguyên tử như vậy mà chúng là một hoặc hóa trị hai. Nhưng nếu trong quỹ đạo bên ngoài của một nguyên tử 1, 2 hoặc 3 electron, thì một nguyên tử như vậy có xu hướng cho chúng đi. Trong trường hợp này, nguyên tử được coi là một, hai hoặc hóa trị ba.

Nếu có 4 electron trong quỹ đạo ngoài của một nguyên tử, thì một nguyên tử như vậy thích kết hợp với cùng một nguyên tử, cũng có 4 electron. Đây là cách các nguyên tử gecmani và silic được sử dụng trong sản xuất bóng bán dẫn kết hợp với nhau. Trong trường hợp này, các nguyên tử được gọi là tetravalent. (Các nguyên tử của gecmani hoặc silic có thể được kết hợp với các nguyên tố khác, ví dụ oxy hoặc hydro, nhưng các hợp chất này không thú vị trong kế hoạch của câu chuyện của chúng tôi.)

Trong hình 3 một nguyên tử gecmani hoặc silic được hiển thị muốn kết hợp với cùng một nguyên tử. Các vòng tròn nhỏ màu đen là các electron riêng của nguyên tử, và các vòng tròn ánh sáng biểu thị những nơi mà các electron của bốn nguyên tử - lân cận - rơi xuống.

Vẽ 3. Nguyên tử của gecmani (silic).

Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn

Các nguyên tử gecmani và silic trong bảng tuần hoàn cùng nhóm với carbon (công thức hóa học của kim cương C đơn giản là các tinh thể carbon lớn thu được trong một số điều kiện nhất định), và do đó, khi kết hợp lại, tạo thành cấu trúc tinh thể giống kim cương. Sự hình thành của một cấu trúc như vậy được hiển thị, trong một hình thức đơn giản hóa, tất nhiên, trong hình 4.

Vẽ 4.

Ở trung tâm của khối lập phương là một nguyên tử gecmani và thêm 4 nguyên tử nữa nằm ở các góc. Nguyên tử được mô tả ở trung tâm của khối lập phương bị ràng buộc bởi các electron hóa trị của nó với các nước láng giềng gần nhất. Đổi lại, các nguyên tử góc cho các electron hóa trị của chúng vào nguyên tử nằm ở trung tâm của khối lập phương và các lân cận của nó - các nguyên tử không được hiển thị trong hình. Do đó, các quỹ đạo bên ngoài được bổ sung bởi tối đa tám electron. Tất nhiên, không có khối lập phương trong mạng tinh thể, nó chỉ được hiển thị trong hình để sự sắp xếp lẫn nhau, thể tích của các nguyên tử là rõ ràng.

Nhưng để đơn giản hóa câu chuyện về chất bán dẫn càng nhiều càng tốt, mạng tinh thể có thể được biểu diễn dưới dạng một bản vẽ sơ đồ phẳng, mặc dù thực tế là các liên kết tương tác vẫn nằm trong không gian. Một mạch như vậy được hiển thị trong hình. 5.

Vẽ 5. Mạng tinh thể gecmani ở dạng phẳng.

Trong một tinh thể như vậy, tất cả các electron được gắn chặt vào các nguyên tử bằng liên kết hóa trị của chúng, do đó, rõ ràng, đơn giản là không có electron tự do ở đây. Hóa ra trước mặt chúng ta là một chất cách điện trong hình, vì không có electron tự do trong đó. Nhưng, trên thực tế, đây không phải là như vậy.

Độ dẫn điện bên trong

Thực tế là dưới tác động của nhiệt độ, một số electron vẫn có thể tách ra khỏi các nguyên tử của chúng và đôi khi tự giải thoát khỏi liên kết với hạt nhân. Do đó, một lượng nhỏ các electron tự do trong tinh thể gecmani tồn tại, do đó có thể dẫn dòng điện. Có bao nhiêu electron tự do tồn tại trong một tinh thể gecmani trong điều kiện bình thường?

Không có nhiều hơn hai electron tự do như vậy trong mỗi 10 ^ 10 (mười tỷ) nguyên tử, do đó, Germanium là một chất dẫn kém, hoặc theo thông lệ để nói là chất bán dẫn. Cần lưu ý rằng chỉ một gram Germanium chứa 10 ^ 22 (mười nghìn tỷ tỷ) nguyên tử, cho phép bạn "có được" khoảng hai nghìn tỷ electron tự do. Có vẻ như đủ để vượt qua một dòng điện lớn. Để giải quyết vấn đề này, việc nhớ lại dòng điện 1 A. là đủ.

Dòng điện 1 A tương ứng với việc đi qua một dây dẫn trong một giây một điện tích 1 Coulomb, hoặc 6 * 10 ^ 18 (sáu tỷ tỷ) electron mỗi giây. Trong bối cảnh đó, hai nghìn tỷ electron tự do, và thậm chí nằm rải rác trên một tinh thể khổng lồ, khó có thể đảm bảo cho dòng điện đi qua. Mặc dù, do chuyển động nhiệt, độ dẫn nhỏ tồn tại ở Đức. Đây là cái gọi là độ dẫn nội tại.

Độ dẫn điện và lỗ

Khi nhiệt độ tăng, năng lượng bổ sung được truyền tới các electron, các dao động nhiệt của chúng trở nên mạnh mẽ hơn, do đó một số electron có thể tách ra khỏi các nguyên tử của chúng.Những electron này trở nên tự do và, trong trường hợp không có điện trường bên ngoài, tạo ra các chuyển động hỗn loạn và di chuyển trong không gian trống.

Các nguyên tử bị mất electron không thể tạo ra các chuyển động ngẫu nhiên, mà chỉ dao động nhẹ so với vị trí bình thường của chúng trong mạng tinh thể. Các nguyên tử như vậy, đã mất electron, được gọi là các ion dương. Chúng ta có thể giả sử rằng thay cho các electron bị xé ra từ các nguyên tử của chúng, sẽ thu được các khoảng trống tự do, thường được gọi là lỗ trống.

Nói chung, số lượng electron và lỗ trống là như nhau, vì vậy một lỗ có thể thu được một electron ở gần đó. Kết quả là, một nguyên tử từ một ion dương lại trở thành trung tính. Quá trình kết hợp các electron với các lỗ trống được gọi là tái hợp.

Ở cùng tần số, các electron được tách ra khỏi các nguyên tử, do đó, trung bình, số lượng electron và lỗ trống cho một chất bán dẫn cụ thể bằng, không đổi và phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài, đặc biệt là nhiệt độ.

Nếu một điện áp được áp dụng cho tinh thể bán dẫn, thì chuyển động của electron sẽ được ra lệnh, một dòng điện sẽ chạy qua tinh thể do độ dẫn điện tử và lỗ trống của nó. Độ dẫn này được gọi là nội tại, nó đã được đề cập cao hơn một chút.

Nhưng chất bán dẫn ở dạng nguyên chất, có độ dẫn điện và lỗ, không phù hợp để sản xuất điốt, bóng bán dẫn và các chi tiết khác, vì nền tảng của các thiết bị này là tiếp giáp p-n (đọc cách đặt pe-en.).

Để có được sự chuyển đổi như vậy, cần có hai loại chất bán dẫn, hai loại độ dẫn (p - dương - dương, lỗ) và (n - âm - âm, điện tử). Những loại chất bán dẫn này thu được bằng cách pha tạp, thêm tạp chất vào tinh thể gecmani hoặc silic tinh khiết.

Mặc dù lượng tạp chất rất nhỏ, nhưng sự hiện diện của chúng ở một mức độ lớn làm thay đổi tính chất của chất bán dẫn, cho phép bạn có được chất bán dẫn có độ dẫn khác nhau. Điều này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo của bài viết.

Boris Aladyshkin, electro-vi.tomathouse.com

Comments

[#1]

Mỗi nguyên tử hydro thiếu 7 electron trong quỹ đạo bên ngoài của nó để có được hạnh phúc trọn vẹn ....... và cứ thế ...... NHƯNG !!!! hydro trong quỹ đạo đầu tiên không thể có nhiều hơn 2 electron .. vì vậy mơ về 8 .... nó quá nhiều)

[#2]

Hình 1 cho thấy nhiều khả năng nguyên tử oxy gắn hai nguyên tử hydro vào chính nó và nó có 8 electron trong quỹ đạo, trong khi hydro chỉ còn một electron. Tức là oxy nhận được những gì anh ta muốn, và hydro chỉ trở thành một phần của oxy, vẫn còn trong giấc mơ muốn gắn 1 electron vào chính nó cho một bộ hoàn chỉnh. (Xem xét người nói trước)
Mặc dù văn bản nói rằng tất cả mọi người lấy những thứ cần thiết và mọi người đều hạnh phúc, nói chung, hòa bình, tình bạn, kẹo cao su.
Bạn có thể bằng cách nào đó sửa chữa sự bất đồng bằng cách giải thích những gì vẫn đang xảy ra.
Cũng cảm ơn nhiều, nó được viết dễ dàng, nhai và đưa vào miệng của bạn.

[#3 Igor]

Ivan, hãy tưởng tượng một mô hình 3D: giả sử một nguyên tử hydro = thịt bò tròn trong điều kiện không trọng lượng, thì electron là một con ruồi điên cuồng bay ngẫu nhiên xung quanh nó. Theo đó, một nguyên tử oxy với bảy con ruồi. Kết quả của sự di chuyển ngẫu nhiên hỗn loạn của ruồi (electron), một cơn lốc hỗn loạn (quỹ đạo) được tạo ra mà chúng sẽ bay ra nếu lửa bắt đầu.

[#4 Pavel]

Các tính chất gần nhất với các dây dẫn lý tưởng ở nhiệt độ thường là kim loại nguyên chất, với bạc là chất dẫn điện tốt nhất.Tuy nhiên, bạc do độ bền cơ học thấp và chi phí cao tương đối hiếm khi được sử dụng (để sản xuất và phá vỡ các tiếp điểm ở dòng điện thấp).

Vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho dây là đồng đỏ, chỉ kém hơn một chút về độ dẫn điện so với bạc. Nhôm hơi kém hơn đồng về độ dẫn điện. Sắt và thép kém hơn đáng kể về độ dẫn điện so với đồng và do đó chỉ được sử dụng cho các phần tử có tiết diện lớn của các thiết bị điện. Vì vậy, ví dụ, đường ray thép được sử dụng trong các phương tiện điện khí hóa làm dây trở lại. Đôi khi dây sắt được sử dụng làm yếu tố dẫn điện trong các cấu trúc điện ít quan trọng.