Основы цифровой электроники, структура полупроводников и их полезность

Мы изучали основы цифровой электроники в форме теории атомной структуры Бора , энергетических зон , зоны проводимости, принципа Паули в отношении квантовых чисел и так далее. Теперь мы подготовили почву для продвижения к более продвинутым представлениям о полупроводниках, которые составляют ядро ​​базовой цифровой электроники. Мы начнем с разговора об определении полупроводников и о чем они все.

Классификация материалов

Разные материалы имеют разную электрическую характеристику, и это приводит к их классификации по любой из трех категорий, которые заключаются в следующем.

Изоляторы — это материалы, которые не проводят электричество. Но как мы можем объяснить это с точки зрения теории, которую мы уже изучили на уроках, упомянутых выше. Изолятор просто означает материал, в котором нет свободных электронов для переноса тока. Это потому, что электроны валентной зоны этих материалов очень тесно связаны с их родительскими ядрами и требуют огромных количеств энергии, чтобы разорвать эту связь. Другими словами, эти материалы имеют большую запрещенную зону. Конечно, этот эффект может быть преодолен до некоторой степени, когда энергия подается на эти тесно связанные электроны в форме, скажем, тепла. Это означает, что при более высоких температурах в них может быть небольшая проводимость.

Проводники — это материалы, которые лежат на другом конце спектра, и запрещенная зона буквально равна нулю. Фактически это означает, что валентная зона и зона проводимости этих атомов буквально перекрываются друг с другом, поэтому вряд ли существует какое-либо ограничение для электронов, чтобы прыгать в эти зоны и из них.

Полупроводники находятся посередине между изоляторами и проводниками. В этих материалах запрещенная зона не очень велика, как у изоляторов, и ничтожна, как у проводников. Существует умеренная энергетическая щель, которая не требует много энергии для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Зона проводимости этих материалов почти пуста, если не полностью пуста. При температуре ноль градусов Кельвина эти материалы действуют как изоляторы, так как в зоне проводимости нет электронов, но при комнатной температуре запрещенная зона уменьшается до минимума. Фактически типичные значения энергетической щели в полупроводнике составляют порядка 1 эВ.

Другая вещь, которая отделяет эти материалы от проводников, заключается в том, что в то время как ток в проводнике обусловлен исключительно потоком электронов; ток в полупроводнике не только обусловлен потоком электронов, но также потоком дыр, о которых мы узнали ранее. Электроны текут через зону проводимости, а дырки — только через валентную зону.

Типичные свойства вышеупомянутой категории материалов обусловлены их уникальной структурой, которая известна как структура решетки, и в основном она состоит из повторяющегося расположения атомов в определенной геометрической структуре. Существует несколько различных типов кристаллических структур, таких как простая кубическая структура, базовая центрированная кубическая структура, гранецентрированная кубическая структура и алмазная структура.

  • В простой кубической структуре решетка имеет форму куба, имеющего атом в каждой из своих вершин. Единственный материал, который существует в простой кубической форме , это подиум.
простая кубическая структура
  • В базовой центрированной кубической структуре атомы находятся в вершинах куба плюс один атом в центре куба, следовательно, каждый атом имеет 8 соседей. Например, натрий.
базовая центрированная кубическая структура
  • В гранецентрированной кубической структуре есть атомы по углам куба, а также центры каждой из граней, что дает фигуру из 12 атомов в окрестности каждого атома.
гранецентрированная кубическая структура
  • В алмазной решетке — структура полупроводников немного отличается, и полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, имеют структуру, известную как алмазная решетка, в которой есть четыре равноотстоящих соседа каждого атома в форме тетраэдра.

Мы узнаем больше о типах полупроводниковых материалов и роли кристаллической структуры в определении свойств, таких как атомное связывание, в отдельных статьях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanders.ru.com © 2020

Adblock
detector