Революция полупроводников: введение в физику и историю

Теория полупроводников

Эволюция электроники за последние десятилетия обусловлена уникальными свойствами полупроводников. 20 лет назад доминировали электронные лампы — громоздкие, горячие, ненадежные. Полупроводники дали: малый вес, компактность, простую конструкцию, надежность, низкую стоимость, малое тепловыделение.

Полупроводник — материал с удельным сопротивлением 10² Ом·см, свойства между диэлектриками и проводниками. Примеры: германий, silicium (кремний), углерод, арсенид галлия. Кремний — основной промышленный материал.

По энергетическим зонам при комнатной температуре: валентная зона частично заполнена, зона проводимости пуста, запрещенная зона узкая (~1 эВ). С ростом температуры запрещенная зона сужается, сопротивление падает — отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Валентные электроны

Электроны на внешней оболочке атома. Стабильность достигается при 8 электронах (октет). У кремния и германия — 4 валентных электрона. Кремний открыт в 1823 г., германий — 1886 г.

Энергетические оболочки

Орбиты, по которым движутся электроны. Чем дальше от ядра — тем выше энергия. Электроны на внутренних оболочках сильнее связаны. При поглощении энергии электрон переходит на высшую оболочку, при излучении — возвращается. Атом электрически нейтуален (число электронов = числу протонов).

Ковалентные связи (атомная связь)

Атом кремния: 2 эл. (1-я оболочка), 8 (2-я), 4 (валентная). В кристаллической решетке атомы делятся валентными электронами — образуются ковалентные связи. Атом электрически стабилен, но химически активен; совместное использование электронов делает структуру устойчивой.

Свободные электроны и дырочки

При нагреве от абсолютного нуля тепловая энергия вызывает колебания кристаллической решетки. Некоторые валентные электроны срываются — становятся свободными электронами (не связаны с ядром). На их месте возникает вакансия — дырочка, ведущая себя как положительный заряд. Процесс происходит во всех атомах, создавая множество пар «электрон-дырочка».