Главная Материалы Новости Форум Поддержать сайт     

Главный принцип формирования полупроводников p и n типа (как формируются их кристаллы)


       Кристалл (и у полупроводников в том числе) это структура на основе кристаллической решётки. В полупроводниках p и n типа кристаллическая решётка образована при помощи так называемых ковалентных связей атомов друг с другом. Ковалентная связь атомов A и B это связь при которой атом A отдаёт один свой электрон атому B, а атом B взамен отдаёт один свой электрон атому A – эти атомы таким образом обмениваются своими электронами (которые называются валентными) для образования довольно прочной связи друг с другом. Кремний, к примеру – четырёхвалентный атом, а это значит, что он может образовать четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Каждый атом кремния отдаёт четыре своих валентных электрона четырём соседям и взамен получает от своих соседей четыре их валентных электрона. В итоге каждый атом кремния при помощи четырёх ковалентных связей оказывается связан с четырьмя соседними атомами кремния – так образуется кристаллическая решётка на основе атомов кремния см. рис 1.

Ковалентные связи кремния в его кристалличской решётке
                                                            рис.1

       Полупроводник n-типа. Здесь к, например, кремнию (он четёрёхвалентен) добавляют небольшую примесь мышьяка. Кремний четырёхвалентный, а мышьяк пятивалентный. Мышьяк в данной структуре будет вести себя, как кремний (почему он вдруг начнёт вести себя, как кремний см. далее во второй половине этой публикации) – атом мышьяка образует ковалентные связи с четырмя соседними атомами кремния. При этом 5-й валентный электрон мышьяка станет свободным электроном. См. рис.2.

Кремний и мышьяк в кристаллической решётке
                                                            рис.2

При этом атом мышьяка окажется положительно заряженным, но перемещаться этот положительный заряд не может, так как этот положительно заряженный атом мышьяка прочно связан с 4-мя соседями – атомами кремния – атом мышьяка прочно встроился в кристаллическую решётку куска кремния. В итоге перемещаться может только электрон. Всё это похоже, например, на то, как это устроено в железе. Там атомы железа не двигаются, а электроны наоборот подвижны, но когда электрон уходит от атома, то атом становится положительно заряженным. Ну и нелишне отметить, что, несмотря на появление в полупроводнике свободных электронов, сам целый кусок полупроводника остаётся электрически нейтральным, так как в итоге каждому свободному электрону соотвествует положительно заряженный атом мышьяка встроившийся в кристаллическую решётку.
       Полупроводник p-типа. Здесь к нашему четырёхвалентному кремнию добавляют небольшую трёхвалентную примесь, например, атомы индия. Атом индия здесь также попытается вести себя как кремний (почему, см. ниже) – атом индия попытается установить четыре связи с четрьмя соседними атомами кремния. А так как у атома индия всего три валентных электрона, то он утянет к себе четвёртый электрон четвёртого соседнего атома кремния не отдав взамен своего электрона (так как атом индия может отдать лишь 3 своих электрона). См. рис. 3.

Кремний и индий в кристаллической решётке
                                                            рис.3

В итоге атом кремния потеряв электрон получит положительный заряд, а атом индия получив лишний электрон получит отрицательный заряд. Но атом индия полученный лишний заряд не может никому другому отдать так как этот заряд (этот электрон) участвует в образовании связей индия с кремнием – участвует в образовании кристаллической структуры. А вот обделённый электроном атом кремния может принимать чужие электроны и, например, "урвав" у соседа (у другого атома кремния) электрон он сделает из соседа такую же структуру какой только что был сам – положительно заряженным ионом с недополученным взамен 4-м электроном. Такая структура называется дыркой и дырка эта всё время пытается забрать электрон у соседа, и если это удаётся, то дыркой становится уже сосед, а забравшая электрон соседа дырка соотвественно перестаёт быть дыркой. В итоге получается, что дырка как бы путешествует по кристалу p-полупроводника. Ну и кусок p-полупроводника так же, как и n-полупроводник тоже в итоге остаётся электрически нейтральным.
       Тут напрашивается вопрос: почему индий и мышьяк пытаются вести себя, как кремний? Почему в случае p-типа, то есть в случае с примесью индием, атом кремния отдаёт свой валентный электрон ничего не получая взамен, а атом индия с радостью почему-то берёт электрон ничего не отдавая взамен – ведь у атома индия из-за того, что он трёхвалентный наверное и места-то для 4-го электрона не должно вроде быть, ан нет, он берёт 4-й электрон как будто место для этого электрона у атома индия всё-таки есть. Да и атом мышьяка (в случае с n-типом) почему-то легко расстаётся с 5-м валентным электроном ничего не получив взамен – то есть начинает себя вести, как атом кремния которому положено лишь 4 валентных электрона, а значит 5-й, он вроде как лишний, а значит довольно легко отпускается, но изначально ведь мышьяк пятивалентный и вроде как просто так свой 5-й электрон отпускать без получения электрона взамен атом мышьяка не должен.
       В известной книге "Р.Сворень. Транзисторы шаг за шагом, M: 1971 г." объяснение всего этого на основе фразы: "структура прежде всего". То есть в веществе важна структура и видимо именно структура большинства атомов. И эта структура большинства атомов заставляет вести себя, как это самое большинство в том числе и малочисленные атомы примеси совершенно другого вещества. То есть большинство навязывает свой способ поведения меньшинству. Всё бы ничего в этом объяснении, но хорошо бы всё это объяснить более развёрнуто – интересен механизм того, как это происходит. И тут предположить этот механизм можно скорее всего так, что атомы большинства колеблются определённым образом (про то, как колеблются атомы и как это можно зафиксировать я писал, например, здесь – см. там про спектральный анализ и нанотехнологии) – то есть большинство колеблется определённым образом, а значит и колеблет меньшинство. В итоге колебания меньшинства становятся похожими на колебания большинства. А колебания атомов видимо определяют и их свойства, их поведение, а значит навязанные меньшинству колебания и определяют свойства меньшинства – оно начинает вести себя, как большинство. Вот и получается, что атом примеси ведёт себя так же, как атомы большинства: мышьяк несмотря на свою пятивалентность в среде кремния устанавливает прочные ковалентные связи только с четырьмя соседями (так же, как это делают все атомы кремния), а индий в среде кремния несмотря на свою трёхвалентность так же устанавливает четыре связи с четырьмя соседями – принимает валентные электроны от четырёх соседей как будто у индия есть четыре места для четырёх электронов от четырёх соседних атомов.


p.s. Для того, кто интересуется объяснениями понятий математики, физики, техники что называется "на пальцах" можно посоветовать вот эту книгу и в частности главы из её разделов "Математика", "Физика", "Техника" (саму книгу или отдельные главы из неё вы можете приобрести здесь).



Обсудить на форуме



                     Комментарии



Представтесь (не менее 2-х символов):

Сообщение:

Далее функция антиспама.
Ответьте на вопрос:
Восемь умножить на сто будет равно? (введите числом):






Читаем книгу "Что людей объединяет или обо всём понемногу"

Что людей объединяет ...