Полупроводники.

Как долго человек мечтает о превращении в золото свинца или из подобных веществ, которые окружают нас? Казалось бы, что тут сложного? Изменить структуру атома на один электрон и дело готово. А нет. Не получается.

Классическая физика никак не решит благополучный исход мечты каждого новоиспечённого алхимика, хоть основа структуры и едина для любого вещества. Выражая своё личное мнение, к которому пришёл давно и не раз об этом думал, скажу, что все вещества, все тела и объекты в нашем мире сохраняют свои свойства, свои формы только благодаря внутренним электрическим связям частиц, образующих единую структуру отдельного элемента.

Электрический ток свободно течёт за счёт свободных носителей заряда, имеющихся в достаточном количестве у проводников электричества.  А как поведёт себя электричество, приложенное к алмазу , к кремнию или, скажем, к селену? Кажется смешным на первый взгляд такой вопрос, но движение электрического тока через подобные материалы возможно и используется повсеместно в любой современной аппаратуре и технике.

Собственная проводимость.

Для простого примера используем обычный кремний, являющийся исходным материалом современных полупроводниковых приборов и имеющий во внешнем слое своей оболочки четыре валентных электрона. Да. Тот самый кремний, который применяется во многих зажигалках. В атоме кремния 14 электронов, но 10 электронов атома прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельства не отрываются. Получается, что только 4 электрона могут стать свободными. Но если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то такой атом становится положительным ионом.

Другими словами будет сказано: кристаллическая решётка кремния образована из атомов, содержащих по четыре валентных(от лат. valēns «имеющий силу»), то есть способных образовывать определённое число связей электрона, слабо связанных со своим ядром. Так как электрон обладает своим определённым электрическим зарядом, то вокруг него существует своя электронная плотность-орбита, посредством которой атом  связывается с соседними атомами, образуя ковалентную — атомную связь, то есть проходит вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.

Атом кремния имеет четыре валентных электрона и взаимодействует посредством  ковалентной связи то же  с четырьмя соседними атомами. Валентный электрон одного атома может состоять в любой связи и перемещаться по всему кристаллу. Мне кажется, здесь всё понятно.

Электронная проводимость.

При внешнем воздействии на кристалл кремния высокой температурой, некоторые электроны кремния покидают свои места и становятся свободными, как в металле. Чем выше приложенная температура, тем больше электронов будут покидать свои места. Если нагреваемый кристалл кремния находится в электрическом поле, то свободные электроны, сохраняя своё тепловое движение, будут смещаться в одну сторону, образуя электрический ток. При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведёт себя как абсолютный непроводник, то есть электрический ток в нём невозможен. Вот Вам пример электронной проводимости.
Возникает вопрос: электроны смещаются в одну сторону, а что остаётся на освобождённых от них местах?

Дырочная проводимость.

При разрыве электронной связи на месте электрона образуется дырка, которая ведёт себя как положительный заряд.

Перемещение дырки по кристаллу всегда сопровождается перемещением электрона, участвующего в ковалентной связи. Как игра в ‘Пятнашки’: мы перемещаем квадратики с цифрами(вроде движения электрона), а освобождённое место становится пустым(дырка). Перемещается циферка(в примере электрон) — меняет своё расположение опустошённое место(в примере дырка). Под действием электрического поля дырки упорядоченно перемещаются, образуя дырочную проводимость.

Из электронной и дырочной проводимости слагается собственная проводимость полупроводника.

Примесная проводимость полупроводников.

Как изменится проводимость кремния, если в него добавить примесь вещества с бо́льшим или с меньшим содержанием валентных электронов?

Когда примесь содержит больше четырёх валентных электронов, то остальные, не связанные электроны, становятся свободными и увеличивают проводимость полупроводника. Это донорская(лат. donor, от dono — ‘дарю’) примесь. Свободные электроны являются основными носителями зарядов, а дырки — нет. А так как у электрона отрицательный заряд, то его проводимость обозначается буквой n(n —negative — отрицательный)  и описывается как n-проводимость. А сам полупроводник именуется электронным или полупроводником n-типа.

Если в качестве примеси в кремний добавить вещество с меньшим количеством валентных электронов, то между атомами образуется недостающая связь, которая замещается электроном от соседнего атома. На месте, от куда ушёл электрон образуется дырка. Такую примесь называют акцепторной (лат. accipio — ‘я принимаю, получаю’). Чем больше такой примеси в полупроводнике, тем больше в нём основных носителей заряда — дырок. И опять же: так как у дырки положительный заряд, то и её проводимость обозначается буквой p(p — positive — положительный) и описывается как p-проводимость. Сам полупроводник называется дырочным или полупроводником p-типа.

Как устроены полупроводниковые приборы?

Если связать меду собой два полупроводника с различной проводимостью, то на месте их соединения образуется зона электронно-дырочного перехода(n-p переход), через который свободные носители заряда диффундируют(смешиваются, проникают) в соседние области.

На месте перехода образуется  двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему их перемещению. При подводе минуса(-) от источника тока к p-области, а плюса(+) к n-области, слой в зоне p-n перехода усиливается. При обратном подключении((+) к р-области, а (-) к n-области) зона p-n перехода становится активной и свободные носители заряда перемещаются в своём направлении. Через такой полупроводник протекает электрический ток.

Вот Вам пример работы выпрямительного диода, пропускающего ток в одном направлении. Сочетание двух p-n переходов используется в транзисторах для усиления электрического сигнала или как ключевой элемент. Применяя примеси с различными веществами, получают полупроводниковые элементы чувствительные к свету, температуре, либо излучающие свет как в видимом спектре, так и в невидимом. Сочетания отдельных полупроводниковых элементов внутри одной конструкции образуют микросхемы.