Категории:
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.
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.
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.
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).
Комментарии
