Полупроводники. Часть II. Строение атома и электоропроводность.

Планетарная модель атома

Для того чтобы лучше понять особенности природы полупроводников, стоит немного вспомнить электронное строение атома. Для этого рассмотрим планетарную модель атома, предложенную датским физиком Н. Бором в 1913 году. Согласно этой модели, в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны. Их количество определяет химические свойства элемента и название вещества. Например, у водорода (H) всего один электрон, у полупроводника кремния (Si) - 14 электронов.

Носители электрического заряда в атоме

Каждый протон несет частицу положительного электрического заряда. Электрон является носителем отрицательного электрического заряда, равного по силе заряду протона. Нейтроны не несут заряда, и остаются электрически нейтральными.

В обычном состоянии количество протонов и электронов одинаково, и такой атом электрически нейтрален. Когда у химического элемента не хватает одного электрона, тогда его называют положительно заряженным ионом. При избытке электронов, атом становится отрицательно заряженным ионом.

Электронная оболочка атома

Область пространства вероятного местонахождения электрона называется электронная оболочка. Атом может иметь до семи электронных оболочек, именуемых латинскими буквами K (ближайшая оболочка к ядру), L, M, N, O, P и Q. На таблице ниже указано максимально возможное количество электронов на каждой оболочке.

Электронная
оболочка
Максимальное
число электронов
K 2
L 8
M 18
N 32
O 50
P 72
Q 98

Электроны, которые находятся дальше всего от ядра атома, располагаются на внешней электронной оболочке и называются валентными электронами. С их помощью атом взаимодействует с соседними химическими элементами.

Электропроводность материалов

Электрические свойства материала напрямую зависят от количества валентных электронов у их атомов. Чем их меньше, тем слабее связь каждого валентного электрона с ядром атома. Следовательно, такой материал лучше проводит электрический ток, потому что его атомы "охотнее" расстаються со своими электронами. Самые лучшие проводники - это химические элементы с одним электроном на внешней оболочке. Например, такие как золото (Au) или медь (Cu).

Соответственно, чем больше заполнена внешняя электронная оболочка, тем больше энергии требуется на разрыв связей между ядром атома и валентными электронами. Самые лучшие диэлектрики (материалы, практически не проводящие электричество) - это химические элементы с завершенной валентной оболочкой. Типичными их представителями являются, так называемые, благородные газы. Например неон (Ne) или аргон (Ar).

У полупроводников внешняя электронная оболочка заполнена наполовину. Следовательно, эти материалы не могут быть хорошими проводниками, как и диэлектриками. Полупроводники интерессны именно тем, что способны значительно менять свои электрические свойства в зависимости от температуры, или примесей других химических элементов.

В следующем разделе речь пойдет о том, как полупроводники специально "загрязняют" примесями, чтобы повлиять на их электропроводность. Также рассмотрим принципы действия дырочного и электронного типа проводимостей.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Полупроводники.
Часть III. Влияние примесей на проводимость

По своей способности проводить электрический ток, полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. Такими факторами могут быть, например, температура или количество примесей. читать дальше...

Полупроводники.
Часть I. Применение в электронике

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell, «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». читать дальше...