Полупроводники (1978)

Перфолента.

Автоматически работает расшифровка информации с перфоленты в текст и распечатка его.

Графопостроитель.

Электронная лампа.

Различные виды электронных ламп.

Электронная лампа - это стеклянная колба с анодом, катодом и сеткой.

Лампа все время видоизменялась, неизменным оставался принцип эмиссии электродов разогретым катодом.

Основным элементом электронных вакуумных приборов является нить накала.

Крупно работа электронной лампы.

Открытие явления внутреннего фотоэффекта привело к созданию полупроводниковой техники.

Граммофон.

Старый телевизор, на экране которого показаны стилизованные изображения телефона, автомобиля, граммофона.

Калькулятор.

Рассмотрим вопросы зонных представлений физики полупроводников.

Проводники тока (лезвие бритвы) и диэлектрики (стеклянный шар).

Проводимость полупроводников зависит от внешнего воздействия.

Внутренний мир кристалла не совсем обычный.

Здесь действуют законы квантовой механики.

Как пример, рассмотрим кремний, наиболее распространенный материал в производстве полупроводниковых приборов.

У кремния 14 электронов.

10 из них находятся на внутренних орбитах.

4 внешних электрона определяют его валентность.

Мультфильм, поясняющий строение молекулы кремния.

В кристаллическом кремнии валентные электроны обобществляются.

Мультфильм, показывающий этот процесс.

Электроны участвуют в валентном обмене, что не может привести к возникновению электрического тока.

Что бы понять, как работают полупроводники нужно отказаться от привычных представлений классической физики.

Энергетическая модель атома кремния.

Эта модель состоит их 3-х энергетических уровней.

Они заполнены электронами в соответствии с принципом Паули.

На нижнем уровне 2 электрона, на среднем 8.

На верхнем уровне 4 электрона.

В процессе образования кристалла происходит превращение энергетических уровней изолированных атомов в зоны уровней.

Зона, занятая валентными электронами, называется валентной.

Ближайшая к ней свободная зона называется зоной проводимости.

Между ними находится интервал энергии недоступный для электронов.

Это основные понятия зонной теории твердого тела.

Число уровней, составляющих валентную зону и зону проводимости пропорциональны числу атомов, образующих кристалл.

Демонстрируется зонная модель с полностью заполненной валентной и совершенно пустой зоной проводимости.

Ноты.

Аналогия зонной модели с нотной записью.

Сравнение плоскостной модели кристалла с зонной.

Сравнивая разные модели поведения валентных электронов, выясняется, что энергетическое состояние отмеченного нами электрона остается неизменным, в то время как в системе пространственных представлений он участвует в валентном обмене.

Что бы кристалл стал электропроводным необходим переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Необходимо появления свободного носителя заряда.

Условием для получения такого электрона является нагревание.

При нагревании атомы кристалла приходят в колебательное движение, это приводит к тому, что электрон валентной зоны получает энергию, достаточную для перехода в зону проводимости.

При этом в валентной зоне образуется свободное состояние или дырка.

Схематическое изображение такого перехода электронов.

Дырка ведет себя как частица, заряженная положительно.

При наложении внешнего электрического поля свободные электроны и дырки движутся в противоположных направлениях.

Кристалл становится электропроводным.

Если в кристалле содержится примесь чужеродных атомов, то в запрещенной зоне появляются примесные уровни.

Электроны атомов примеси легко переходят в зону проводимости.

Примесные атомы превращаются в положительные ионы.

Такие примеси называются донорными или N-типа.

Другие примеси создают разрешенные уровни вблизи валентной зоны.

Электроны из валентной зоны переходят на эти уровни, а в зоне образуются дырки.

Ион примеси в этом случае оказывается отрицательным.

Такие примеси называются акцепторными или P-типа.

Электрические свойства твердых тел зависят от заполнения зон и наличия в энергетическом спектре запрещенной зоны.

В изоляторе запрещенная зона широкая.

В полупроводниках уже.

В металле валентная зона заполнена частично.

Из-за малой ширины запрещенной зоны полупроводники необычайно чувствительны к внешним воздействиям.

Это их свойство привело к возникновению полупроводниковой электроники.

В технике наиболее широко применяются полупроводниковые кристаллы, в которых сформированы области с различными типами примесей.

В месте контакта областей с донорной и акцепторной примесями свободные электроны и дырки диффундируют навстречу друг другу.

В результате рекомбинации в области РN перехода возникает потенциальный барьер.

Перед нами своеобразный электрический вентиль, основной элемент многих полупроводниковых устройств.

Различные полупроводниковые элементы.