Полупроводниковые приборы используются практически во всех устройствах. Но для того, чтобы лучше понять принципы их работы, коротко рассмотрим движение электронов в твердом теле. Дабы не забивать голову квантовой механикой, напомню, что электрон - это элементарная частица, обладающая элементарным зарядом. Меньше этого заряда в природе не существует (по крайней мере так считает официальная наука). Электрон обладает отрицательным зарядом, его абсолютная величина равна 1,602 x 10-19 Кл и этот заряд нельзя "снять". Электроны свободно передвигаются в электрическом поле.

Из физики также известно, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Как известно, электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т. е. находятся на белее низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение (если помните, плюс притягивает минус), а следовательно затратить некоторую энергию. И наоборот, чем дальше электрон находится от ядра атома, тем большей энергией он обладает, тем меньшую энергию необходимо затратить для удаления его от ядра.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Другими словами, энергия электрона изменяется только квантами, т. е. определенными порциями.

Распределение электронов по энергетическим уровням изображают схематически. На рис. 1 как раз изображены энергетические уровни металла. В соответствии с так называемой зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Всего этих зон целая куча, но вот в явлениях электропроводности огромную роль играют практически три, а именно: валентная зона - образована рядом энергетических уровней, заполненных электронами внешней оболочки атома. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. В металлах и полупроводниках большое число электронов, находящихся на более высоких уровнях, образуют зону проводимости. Электроны проводимости совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Этим объясняется высокая электропроводность металлов. И существует еще так называемая запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находится.



Как видно из рисунка у металлов зона проводимости примыкает к валентной зоне (иногда зоны могут перекрываться) или ширина запрещенной зоны настолько мала, что ей можно пренебречь. Поэтому металлы хорошо проводят электрический ток, но с ростом температуры их проводимость уменьшается. Для диэлектриков ситуация совсем иная. Посмотрим на рисунок 2



На рисунке 2 та самая ΔW и обозначает ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах) и как видно, чтобы преодолеть этот барьер электронам необходимо сообщить дополнительную энергию, например, тепловую, световую, да не важно какую. Таким образом, при нагревании сопротивление диэлектрика уменьшается, так как увеличивается число свободных электронов в зоне проводимости.

У полупроводников зонная диаграмма похожа на зонную диаграмму диэлектриков, только ширина запрещенной зоны (ΔW) немного меньше. Вообще же полупроводник не совсем оправдывает своего названия, его разумней назвать полудиэлектриком, так как свойства больше схожи с диэлектриками, но...

Полупроводниковыми свойствами обладают практически все вещества. При температуре абсолютного нуля (напомню, что температура абсолютного нуля равна 0º по Кельвину или -273º по Цельсию) полупроводник представляется идеальным диэлектриком (даже без потерь). При нагревании валентные электроны получают дополнительную энергию и легко переходят через небольшую (для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ) запрещенную зону в зону проводимости, т. е. начинают проводить электрический ток.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов применяют кремний (Si), германий (Ge), соединения галлия (арсенид галлия GaAs), фосфид кремния (SiP) и некоторые другие. Упрощенно структуру кристаллической решетки изображают вот так:



На рисунке маленькие кружочки есть не что иное, как электроны, прямые линии - ковалентные связи. Внешние оболочки кремния (германия) имеют четыре валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.