If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание
Текущ час:0:00Обща продължителност:12:01

Видео транскрипция

В това видео ще говорим за нещо, което се нарича собствен полупроводник. И думата "собствен" в контекста на полупроводниците може да се приеме за "чист". Това означава, че всички атоми са еднакви или всички атоми са едни и същи. Тоест ако работиш със собствен силициев полупроводник, всички атоми трябва да са силициеви. Ако имаш собствен германиев полупроводник, всички атоми трябва да са германий. Ще проучим електрическите свойства на тези полупроводници. И ще открием, че – да поясним, при металите има само едно нещо, което води до електричен ток и това са свободните електрони, нали така? Но се оказва, че при полупроводниците има две неща, които са отговорни за протичането на ел. ток. Едното е електроните. А другото какво е? Това ще открием в днешното видео. Ще вземем един специфичен пример и ще работим с него. Да кажем, че взимаме силициев полупроводник. Първо ще разгледаме как силицият образува кристална решетка и после ще разгледаме електрическите му характеристики. За да направим това, нека първо запишем електронната конфигурация на силиция. Той има 14 електрона, така че електронната му конфигурация ще е 1s2, 2s, 2p, и ще е напълно запълнен – имаш 2 и 6, това прави 10, така че ще имаме 3s и 3р слоеве – Това ще е 3s2 и 3p3 и може би по химия вече научи, че атомите "обичат" това нещо, което се нарича октет. Те искат крайната им енергийна обвивка, крайната им орбитала да е напълно запълнена с електрони, с осем електрона. Силицият ни има само 4 електрона в крайната си обвивка, нали така? Тоест има нужда от още 4. Как прави това? Ами, ако разгледаш един силициев кристал, всички атоми на силиция имат нужда от тези 4 електрона. Така че те ще споделят електроните си и това се нарича ковалентна връзка. Силициевите атоми образуват ковалентни връзки един с друг и, ако можеш да видиш това, то би изглеждало ето така. Ще начертая тези силициеви атоми, които са ковалентно свързани едни с други. Това са силицивите атоми, които са ковалентно свързани едни с други. Не приемай тази диаграма твърде буквално, тези линии са просто за да представим връзките. Но ето как да разглеждаш това. Виж този силициев атом, например, той има четири външни електрона Това са четирите външни електрона, не показваме вътрешните електрони. И силицият споделя с четири от съседните атома и, като резултат, забележи, всеки силициев атом сега има осем електрона. Имаш 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – така че този силициев атом сега е "щастлив". И, погледни, дори този има осем. Всички силициеви атоми имат осем електрона и, като резултат от това споделяне, те са "щастливи" и, всъщност това задържа целия кристал в едно. А големият въпрос е какво можем да кажем за проводимостта му. Може ли силициевият кристал да провежда? Ами, това зависи от температурата му. Ще започнем с много ниски температури. Нека започнем от абсолютната нула. Ако сме при много ниски температури, например много близо до абсолютната нула, какво мислиш, че ще направи силициевият кристал, ще провежда ли? Има много електрони, нали така? Но въпросът е дали могат да провеждат. Можем да започнем да си отговаряме като първо разгледаме зонната диаграма на това. В предишни видеа говорихме за тази зонна структура, зонна теория за проводимостта на твърдите вещества и, ако ти трябва повече яснота по темата, или искаш да преговориш, би било чудесно да се върнеш обратно, да гледаш тези видеа и после пак да дойдеш тук. Но ще видим, че за полупроводниците валентната зона е зоната, в която има най-много електрони. Валентната зона е напълно запълнена. И после идва тази енергийна пролука, която не е позволена за електроните, наричаме това забранена енергийна зона, а после имаш следващата енергийна зона, която електроните могат да заемат. И ако сме при абсолютна нула по Келвин всички електрони са заели тези състояния. Ако разгледаш отделните състояния – начертахме това, ще ти го покажа – ако разгледаш индивидуалните състояния, припомни си, че тази зона е съвкупност от всички тези състояния и не показвам някой от тях, във всяко състояние има два електрона – помниш ли принципа за изключване на Паули? Един със спин нагоре, един със спин надолу и не можем да имаме трети електрон, така че следващия ще е по-нагоре, и всички тези електрони запълват валентната зона и няма налични енергийни състояния, така че ако поставим електрическо поле тук, никой от тези електрони няма да провежда и причината за това е, че ако един електрон иска да провежда, ако иска да ускори скоростта си, неговата енергия трябва да се увеличи, кинетичната енергия трябва да се увеличи. И никой от електроните – виж, ако енергията трябва да се увеличи, трябва да има налично енергийно състояние, в който електронът да навлезе, но всички енергийни състояния са запълнени, така че енергията на електроните не може да се увеличи и, като резултат, никой от тези електрони няма да провежда. И цялото това твърдо вещество действа като изолатор. При 0 градуса по Келвин целият този материал действа като изолатор, понеже няма налични празни енергийни състояния. А какво се случва, ако увеличим температурата – да кажем, че сме при стайна температура. Да видим. Приготвил съм ни това тук долу. Отлично. Да си представим, че сме при стайна температура. Да кажем, че това е около 300 Келвина. Какво ще се случи сега? При тази температура има налична много топлинна (термална) енергия и, като резултат, някои от електроните могат да абсорбират тази топлинна енергия и да прескочат, или да бъдат възбудени, от валентната зона в проводящата зона. Може би този електрон тук абсорбира някаква топлинна енергия и бива възбуден, и може би прескача до това състояние. И може би, да кажем, този електрон е този електрон тук. И, като резултат, сега, ако приложим електрическо поле, този електрон е свободен да се движи, свободен е да ускори, понеже енергията му може да се увеличи още повече, понеже има налични енергийни състояния. Преди не можеше да направи това, но сега може и ще кажем, че това сега е свободен електрон. И за да представим това, обикновено ще го поставим извън ковалентната връзка, за да покажем, че не е "заседнал" тук, свободен е да се движи и може да се движи. И, забележи, не само получихме свободен електрон, но понеже този електрон сега – представи си, че електронът се премества някъде и, поради това, забележи, има налично свободно пространство. Във валентната зона това състояние сега е свободно за заемане от друг електрон и, понеже има много топлинно възбуждане, може би този електрон ще заеме това пространство. Може би този електрон заема това пространство. И може да се запиташ защо електронът ще направи това? Това е случайност. Преди не можеше да се движи, но сега има празно място. И, като резултат, валентната зона, ако разгледаш зонната диаграма, може би този електрон или този електрон ще се премести, заел е това пространство, и, като резултат, празното място се е преместило – сега това е празното място, така че може би друг електрон – може би този – може да заеме това място. Може би този електрон. Този идва тук. Показвам електрони, които прескачат от едно място на друго поради топлинна случайност. И, като резултат, можеш ли да видиш, че това празно място все едно се движи? Вместо да казваме, че електроните прескачат от едно място на друго, предпочитаме да си представяме, че самото празно място се движи свободно. Знам, не ти изглежда логично, понеже празното място не е частица, че да се движи, но предпочитаме да си го представяме това. И предпочитаме да поставяме кръг тук – ще наречем това дупка. Добре. Ще наречем това дупка и цялата идея зад това е, че мислим за дупката като за частица и си представяме, че може свободно да се движи. Ще приемем, че може свободно да се движи през целия този кристал. Затова получаваме ток в следствие от две частици. Едните са електроните, а другите са дупките. И, познай, тези дупки действат като положителни носители на заряда и ето защо. Представи си, че поставиш електрическо поле ето така, ако поставиш електрическо поле тук, тогава този свободен електрон ще ускори насам, ще ускори в тази посока, и, подобно, този електрон не може да се движи, понеже не е свободен, но може да "прескочи" оттук до тук и, като резултат, изглежда все едно дупката се е преместила тук, а после дупката се премества тук, после тук. Все едно тази дупка, ако я приемем за частица, все едно се движи в същата посока в което е насочено е електрическото поле. И за това предпочитаме да мислим за дупките като за положително заредени частици. И затова в полупроводниците има две неща, които водят до протичане на електричен ток – едното са електроните, а другото са дупките. Няколко забележки, преди да приключим. Първо, въпреки че третираме дупките като положително заредена частица, не мисли, че ще привличат електроните – те изобщо не привличат електроните, можеш да мислиш за тях все едно се движат независимо. Разбира се, ако един електрон дойде много близо до една дупка, да, може да "падне" в тази дупка. Но не мисли, че се привличат взаимно. Другото нещо е, че, при зонната диаграма, забележи, ако внимателно начертаеш електроните в зонната диаграма – трябва да сме внимателни и не можем да оставим повече от два електрона в една хоризонтална права, понеже при всяко ниво може да има само два електрона най-много – единият със спин нагоре, а другият със спин надолу. Но това прави чертаенето досадно, затова обичайно оставяме настрана тези енергийни нива и на случаен принцип чертаем електрони навсякъде. Знам, че това не е много точно, но е по-лесно да го начертаем, така че ако трябва да показваме електрони и дупки в бъдещи видеа, отсега нататък ще ги чертая ето така – просто навсякъде ще поставям по няколко електрона. Но всъщност само два електрона могат да заемат определено състояние. Но нека оставим това за сега и ще покажа няколко дупки тук. И ще си представим, че всички те се движат свободно. Повтарям, не е много точно, но е по-лесно за чертаене и е много лесно за представяне. Последно, нека приключим с аналогия. Предпочитам да мисля за тези електрони като за вода. Тази празна бутилка за вода е точно като провеждаща зона с много пространство и, като резултат, в нея водата може да се движи свободно. И можеш да си представиш тази валентна зона, която е напълно запълнена, като изцяло пълна бутилка вода. Но дупките ще представляват тези малки балончета въздух – това са местата, където трябва да има вода, но всъщност няма. И, като резултат, забележи, тези балончета въздух изглеждат сякаш се движат, но в реалността всъщност водата запълва това място и това празно място се премества. Но на нас ни изглежда сякаш това балонче въздух само по себе си е частица. Това е идеята зад дупките и затова предпочитаме да мислим за дупките като за частици.
Кан Академия – на български благодарение на сдружение "Образование без раници".