Транзисторы. Часть 2. Проводники, изоляторы и полупроводники

В электротехнике существуют материалы разных видов. Проводники представляют собой материалы, которые поддерживают проведение электрических сигналов. Они могут состоять из металла, пластика, дерева или даже растительных материалов. Изоляторы используются для отделения и

Количество электронов на внешней валентной орбите позволяет установить электрические свойства любого вещества.

Это и есть, что мы имеем в виду под понятием «ионизация».

Количество электронов, находящихся на орбитах, связано с их привязанностью к ядру. Чем меньше электронов, тем легче они могут отправиться путешествовать. Это и есть процесс ионизации.

Это вызывает смену электрических свойств материала, а именно смену проводимости.

При перемене температуры, электроны извлекаются из атомов и перемещаются в межатомном пространстве. Это приводит к изменению электрических свойств материала, таких как проводимость.

Свободные электроны – это то, что обеспечивает поток электричества в проводниках. Они позволяют им стать электрическим проводником.

Однако на самом деле между частицами вещества существует значительное межатомное пространство, которое дает достаточно пространства для движения свободных электронов.

Но на самом деле, даже самые твердые материалы схожи с невероятной по сложности рыболовной или волейбольной сетью.

Хотя на первый взгляд это может не очевидно, точная научная доказательность показывает, что расстояния между электронами и ядрами атомов намного больше, чем их собственные размеры.

Если мы бы могли представить себе размер ядра атома в виде шара, сравнимого по размеру с футбольным мячом, то электроны, соответственно, будут по размерам напоминать горошину. И каждая из этих горошин будет находиться от «ядра» на расстоянии в несколько сотен, а иногда и в тысячи метров.

Ме��ду ядром и электроном просто нет ничего – пустота! Электрики знают, что между ядром и электроном нет ничего, поскольку это пространство пустое. Пустое пространство, между ядром и электроном не заполнено ничем – на самом деле, там даже нет воздуха. Это пространство полностью пустое, и поэтому проходить в нем нечего.

Представьте себе масштаб расстояний между атомами вещества: это будут десятки и сотни километров! Невообразимо маленький размер в сравнении с тем, что мы видим нашими глазами.

Металлы представляют собой хорошие проводники потому что их атомы способны держать заряд и передавать его. Для прокладки электрических проводов используются металлические кабели, которые имеют проводящую оболочку и используются для подключения электрических устройств.

При прокладке электрических проводов важно использовать металлические кабели, потому что они являются хорошими проводниками электричества. Это обусловлено тем, что атомы металлов могут держать и передавать заряд. Поэтому металлические кабели необходимы, чтобы эффективно и безопасно проводить электрические сигналы.

При прокладке электрических проводов металлы являются незаменимыми: они хорошие проводники заряда, поскольку их атомы способны держать и передавать заряд. Отсюда следует, что металлические кабели необходимы для безопасного и эффективного передачи электрических сигналов.

Атомы золота и серебра имеют на внешней орбите всего по одному электрону, что делает их идеальными проводниками для электрика. Это означает, что эти два металла прекрасно передают электрические импульсы.

Железо также может проводить электричество, но будет делать это не так эффективно, как другие материалы.

Высокосопротивление сплавы представляют собой настоящую проблему для электриков. Нихром, манганин, константан, фехраль и другие высокоомные сплавы используются для различных задач, таких как нагревательные элементы, тензодатчики, образцовые резисторы для измерительных приборов и многое другое. Их правильное применение требует от электриков высокого уровня квалификации и опыта.

Оно обозначает количество силы тока, протекающей через единицу площади при одном вольте напряжения.

Чтобы определить способность материала проводить электрический ток, было придумано «удельная электропроводность». Это показатель, указывающий на количество тока, протекающего через единицу площади при одном вольте напряжения.

То есть у них очень высокое удельное сопротивление. В механике это эквивалентно удельной плотности.

Удельное сопротивление – это не только обратное значение. Оно представляет собой аналог удельного веса в механике. А изоляторы, в противоположность проводникам, не потеряют электроны и показывают высокое удельное сопротивление, которое эквивалентно удельной плотности в механике.

Связь электронов с ядром в электрических компонентах очень прочная, а количество свободных электронов практически незначительно. Однако, в некоторых изоляторах это количество увеличивается, а качество изоляции соответственно прогадывает.

Рассмотрим, например, сравнение керамики и бумаги. Отсюда мы можем заключить, что изоляторы могут быть поделены на добротные и недостаточно качественные. Наличие свободных зарядов в изоляторах можно отследить с помощью специальных устройств, таких как конденсаторы.

Тепловые колебания электронов, под воздействием высокой температуры, приводят к тому, что изоляционные свойства материала ухудшаются. В результате этих процессов некоторым электронам удается отделиться от ядра и появляется масса свободных зарядов в изоляторах. Для того, чтобы отследить их наличие, используются специальные устройства, такие как конденсаторы.

Но действительные проводники имеют удельное сопротивление, которое зависит от материала из которого они изготовлены, а также от их длины, сечения и температуры.

Несмотря на то, что удельное сопротивление идеального проводника было бы равно нулю, у действительных проводников оно ненулевое. Оно зависит от состава из которого они изготовлены, их длины, сечения и температуры.

Таким образом, при нулевой температуре закон Ома I = U/R выражается в его форме с нулем в знаменателе. Все математические модели и принципы электротехники при этом остаются в прежнем пригодными для использования.

Для определения «этого» как хорошего или плохого, мы используем удельное сопротивление.

Длина ребра кубика в 1 см привела к тому, что удельное сопротивление в Омах было определено как Ом/см.

Значение удельного сопротивления некоторых веществ представлено ниже.

Проводимость – это величина, обратная удельному сопротивлению, измеряемая в единицах Сименса – 1 См = 1 / Ом.

Серебро, медь и алюминий имеют отличную проводимость или малое удельное сопротивление: серебро – 1,5*10^-6, медь – 1,78*10^-6, алюминий – 2,8*10^-6.

Ом/см – это единица измерения проводимости сплавов. Проводимость сплавов с высоким сопротивлением, таких как константан (0,5*10^(-4)) и нихром (1,1*10^(-4)) намного хуже, чем у плохих проводников.

Далее в свою отдельную группу можно отнести полупроводники: германий с сопротивлением 60 Ом на каждый сантиметр, кремний с сопротивлением 5000 Ом на каждый сантиметр и селен с сопротивлением 100 000 Ом на каждый сантиметр.

Электрики особенно ценят удельное сопротивление этой группы, поскольку оно выше, чем у плохих проводников, но ниже, чем у некачественных изоляторов, и гораздо лучше, чем у хороших.

Можно сказать, что полупроводники являются полуизоляторами.

Вещества состоят из молекул, которые состоят из множества атомов. Рассмотрим несколько примеров. Начнем с простого: вода. Вода состоит из атомов водорода и кислорода. Эти два атома при взаимодействии образуют молекулу воды. Таким образом, взаимодействие атомов друг с другом приводит к образованию молекул, которые в свою очередь составляют вещества.

После краткого ознакомления с атомной структурой и свойствами атомов нам необходимо выяснить, как атомы взаимодействуют друг с другом, как из них формируются молекулы, а затем и вещества. Вещества состоят из молекул, которые состоят из атомов. Для наглядности рассмотрим пример воды. Она состоит из атомов водорода и кислорода. Эти атомы при взаимодействии формируют молекулу воды. Таким образом, взаимодействие между атомами приводит к созданию молекул, которые, в свою очередь, составляют вещества.

В данном случае это проще всего сделать с помощью графического редактора.

Проследить путь электронов внешней орбиты атома можно с помощью графического редактора. Он поможет быстро и легко отметить путь движения электронов, чтобы оценить их поведение в атоме.

Электроны играют ключевую роль в химии. Они несут на себе заряд, который позволяет атомам привязываться друг к другу и соединяться в молекулы, изменяя таким образом свои физические и химические свойства. Таким образом, электроны имеют важное значение в химии и материаловедении.

Атомы могут сталкиваться друг с другом, а их внешние орбитали могут примыкать друг к другу. В результате сложения они соединяются в молекулы. Например, два атома азота образуют молекулу азота, два атома кислорода образуют молекулу кислорода. Таким образом, из атомов получаются молекулы.

Как из атомов получаются молекулы

Обычно атомы находятся в стабильном состоянии, если количество электронов на их внешней орбите составляет 8. При столкновении атомов могут примыкать друг к другу, соединяясь в молекулы. Например, два атома азота образуют молекулу азота, а два атома кислорода – молекулу кислорода. Таким образом, из атомов можно получить молекулы.

Он не стремится приобрести электроны у соседних атомов и одновременно защищать свои.

При изучении таблицы Менделеева можно убедиться в справедливости того, что неон, аргон, криптон и ксенон – инертные газы.

Из-за того, что атомы газов имеют 8 электронов на внешней орбите, они не имеют стремления вступать в различные отношения, такие как химические реакции и образование молекул веществ. Поэтому, эти атомы предпочитают оставаться в изолированном состоянии. В таком случае электроны пытаются заполнить внешние орбиты до числа 8. Они берут электроны из более внутренних орбит, оставляя их пустыми.

Для тех атомов, у которых на внешних орбитах нет заветных 8 электронов, ситуация выглядит по-другому. В таком случае электроны пытаются заполнить внешние орбиты до заветного числа 8, взяв электроны из более внутренних орбит, оставляя их пустыми.

Два атома водорода имеют по одному электрону в обоих их внешних орбитах. Атом кислорода имеет шесть электронов в двух внешних орбитах.

Электриками выражается, что атомы любят объединяться друг с другом, чтобы достичь своей идеальной орбиты из 8 электронов. Например, молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рисунке 1. Два атома водорода имеют по одному электрону в их внешних орбитах, а атом кислорода имеет шесть электронов в двух внешних орбитах. Таким образом, атомы объединяются для достижения баланса и полноты своей внешней орбиты из 8 электронов.

Они постепенно приближаются друг к другу и соединяются посредством двух сильных обменных связей. Это приводит к созданию молекулы воды.

Рисунок 1. Молекула воды производится из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

На рисунке можно наблюдать, как два атома водорода и один атом кислорода постепенно приближаются и соединяются посредством двух сильных обменных связей. Это приводит к созданию молекулы воды.

На наружной орбите атома кислорода расположено 6 электронов, а также два электрона у двух атомов водорода, которые находятся в непосредственной близости.

Кислороду до желанного числа 8 не хватает двух электронов на внешней орбите, которые он может получить, присоединив к своему ядру два атома водорода.

Для того, чтобы атом водорода мог достичь полное счастье, ему необходимо иметь 7 электронов на внешней орбите.

Первый атом водорода получает 6 электронов на его внешнюю орбиту от кислорода и ще один электрон от своего близнеца – второго атома водорода.

На внешнем орбитальном уровне его электрона теперь находится в компании 8 электронов.

Второй атом водорода заполняет свою внешнюю орбиту до заветного числа 8.

Рисунок 1 демонстрирует процесс заполнения внешней орбиты второго атома водорода до заветного числа 8. На нем также показано как атомы натрия и хлора соединились.

На рисунке 2 изображен процесс окончательного заполнения внешней орбиты второго атома водорода до заветного значения 8. В этом процессе атомы натрия и хлора присоединяются вместе, чтобы сформировать молекулу.

В результате химической реакции хлористого натрия получается поваренная соль, которую можно найти в магазинах.

Процесс соединения атомов натрия и хлора.

Рисунок 2. На картинке изображен процесс соединения атомов натрия и хлора.

В результате этого процесса получается молекула солей – NaCl.

Процесс соединения атомов натрия и хлора начинается с того, что атомы обмениваются электронами, чтобы получить постоянное внешнее поле. Атом натрия имеет один электрон в ван-дер-ваальсовой оболочке, а атом хлора имеет семь. Таким образом, хлор присоединяет к своим семи электронам один электрон натрия, а натрий отдает в распоряжение атома хлора свой единственный электрон. В результате этого процесса образуется молекула соли NaCl.

У обоих атомов на внешней орбите расположено 8 электронов, что позволяет достичь полного согласия и благополучия. Этот процесс называется валентностью. Когда атомы присоединяют друг к другу дополнительные электроны и формируют молекулы, происходит валентное взаимодействие. Это позволяет соединить атомы в необходимые сочетания и сформировать структуру молекул. Валентность обеспечивает прочное связывание атомов и позволяет сформировать различные молекулы.

Атомы и их Валентность

Атомы, содержащие на внешней орбите от 6 до 7 электронов, испытывают желание присоединить к себе дополнительные единицы электричества. Этот процесс называется Валентностью. Когда атомы объединяются друг с другом для формирования молекул, происходит валентное взаимодействие. Валентность позволяет атомам устанавливать необходимые сочетания и создавать структуру молекулы. Она обеспечивает прочное соединение атомов и дает возможность формировать различные молекулы.

О атомах, которые имеют одну или две валентности, говорят, что они одно- или двухвалентны.

Если атом имеет на внешней орбите один, два или три электрона, то он стремится их отдать.

В этом случае атом рассматривается как одно-, двух- или трехвалентный.

Таким образом, атомы достигают стабильности.

Когда на внешней орбите атома содержатся 4 электрона, то атом предпочтет объединиться с другим атомом, у которого также содержится 4 электрона. Таким образом, электроны помогают атомам установить стабильное значение энергии.

Оба атома имеют по четыре валентных связи, а значит, они могут быть соединены с помощью двух дополнительных связей. Это объединение атомов имеет особую структуру: два атома, почти в прямом углу друг к другу, соединены двумя дополнительными связями. Таким образом, появляется соединение германия и кремния, которое мы называем транзистором.

Атомы германия и кремния могут объединяться друг с другом, чтобы создать пригодные для использования в электронике транзисторы. При этом атомы захватывают друг друга, превращаясь в четырехвалентные. На рисунке №3 показано, как происходит объединение атомов германия и кремния. Два атома располагаются почти под прямым углом, и имеют по четыре валентных связи. Две дополнительные связи создают необходимое для схемы транзистора соединение. Таким образом, получаем транзистор, готовый к применению в электронике.

Так получается цепь атомов, которая является проводником электронов.

Маленькие черные кружочки представляют собой электроны атомов, а светлые кружки служат местом для прохождения электронов соседних атомов. В результате этого происходит цепочка атомов, которая функционирует как проводник электрических зарядов. Таким образом, при подходящих условиях атомы германия и кремния могут образовывать алмазно-подобную кристаллическую структуру.

Рисунок 3 . Атом германия (кремния).

Кристаллическая структура полупроводников

Атомы германия и кремния, как показывает периодическая таблица, находятся в той же группе, что и углерод (химическая формула алмаза C, представляющая собой большие кристаллы углерода, полученные при конкретных условиях). Именно поэтому при правильных условиях атомы германия и кремния могут образовывать алмазно-подобную кристаллическую структуру.

На рисунке 4 можно наблюдать конструкцию, построенную по принципам электрики, состоящую из элементов, соединенных друг с другом. Защитно-пожарная система автоматического отключения электропитания при возгорании пожара.

Рисунок 4. Защитно-пожарная система автоматизированного отключения электроэнергии при возникновении пожара.

На всех атомах проведены провода, связанные между собой.

Электрик должен предоставить подключение к кубу с проводами. Для этого необходимо сперва изучить компоновку атомов и их соединения. Затем нужно найти наилучший способ подключения проводов, чтобы они могли передавать напряжение между собой.

Электрику предстоит задача подключения куба с проводами. Прежде всего, необходимо проанализировать расположение атомов и их связей. Далее, необходимо придумать максимально эффективный способ подключения проводов, позволяющий им передавать напряжение между собой. В центре куба находится атом германия, а по углам расположены еще 4 атома, соединенные между собой проводами.

Атом в центре куба связан с ближайшими соседями при помощи валентных электронов.

Угловые атомы трансферируют свои валентные электроны к атому в центре куба, а также к соседним атомам, не показанным на рисунке.

Таким образом, поверхность атома дополняется до восьми электронов, что делает его доступным для электриков.

Очевидно, что никакого куба в кристаллической решетке нет. Однако, на рисунке он представлен для наглядности взаимного объемного расположения атомов.

Кристаллическая решетка германия в плоском виде.

Чтобы понять работу полупроводников, важно видеть кристаллическую решетку в плоском виде. Отображение кристаллической решетки в виде схематического рисунка позволяет нам проще воспринимать межатомные связи, нежели если мы бы смотрели на неё в трёхмерном пространстве. На рисунке 5 мы можем увидеть кристаллическую решетку германия в плоском виде.

Чтобы лучше понять как устроены полупроводники, важно видеть кристаллическую решетку в плоской форме. Схематический рисунок изображает межатомные связи и помогает воспринимать их легче, чем в трёхмерном пространстве. На рисунке 5 мы можем увидеть кристаллическую решетку германия в плоском виде.

Рисунок 5 . Кристаллическая решетка германия в плоском виде.

Германий — это металл строения кристаллической плоской решетки, состоящей из двух слоев атомов. В таком типе решетки атомы жестко связаны между собой и образуют 2D-поле. Это поле может использоваться для передачи электрического тока. Кроме того, кристаллическая плоская решетка германия позволяет использовать материалы с высокой проводимостью и более низкими потерями тока.

Кристаллическая плоская решетка германия – это материал, в котором атомы привязаны друг к другу жестко валентными связями. Это дает возможность использовать материал с высокой проводимостью и низкими потерями тока. Такое поле представляет собой два слоя атомов, которые связаны друг с другом и позволяют передавать электрический ток. Из-за отсутствия свободных электронов в данном материале, он может быть использован для установки различных электрических компонентов.

Это происходит из-за внутреннего тока в материале. Они проходят между атомами и двигаются, делая материал проводимым. Это называется собственной проводимостью материала.

Из-за малого количества свободных электронов внутри кристалла германия, электрики могут использовать его для проведения электрического тока. При нормальных условиях электроны привязаны к атомам и не могут проходить через кристалл.

Отметим, что в одном грамме германия находятся 10²² атомов, что приводит к формированию почти двух тысяч миллиардов свободных электронов.

Похоже, что достаточно пропустить большую мощность электричества.

Для разрешения этого вопроса нам понадобится понимание того, что является током силой в 1 А. Ток силой в 1 А – это масса электронов, перемещающихся в единицу времени через единицу площади проводника. Следовательно, количество электронов, проходящих через двухстороннюю конструкцию, зависит от площади конструкции и от массы электронов, перемещающихся в единицу времени. Таким образом, чтобы рассчитать ток силой в 1 А, нужно извлечь площадь из двухсторонней конструкции и подсчитать массу электронов, проходящих через нее в единицу времени.

Электрический ток равен 1 Амперу, если проходит через проводник за одну секунду электрический заряд в 1 Кулон, то есть 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов.

На этой фоне, две тысячи миллиардов свободных электронов, распределенных по объемному кристаллу, практически не могут сопровождать большие токи. Эти оторвавшиеся электроны и проходят через материалы, давая им возможность иметь кондуктивность. Это делает германию привлекательной для использования в проводящих электрических устройствах. Однако наличие собственной проводимости не дает возможности получить дырочную проводимость.

Хотя германия имеет небольшую проводимость за счет теплового движения, называемую собственной проводимостью, она не дает возможности получить дырочную проводимость. Увеличение температуры приводит к росту энергии у электронов, что позволяет им отсоединиться от атомов и проходить через материалы, давая им возможность иметь кондуктивность. Таким образом, германия является привлекательной для применения в электрических устройствах. Однако она не может предоставить дырочную проводимость.

Электроны становятся несвязными и проявляют хаотическое движение при наличии внешнего поля.
Когда магнитное или электрическое поле отсутствует, электроны начинают перемещаться по свободному пространству.

Атомы, которые потеряли электроны, не могут совершать неупорядоченные движения, а лишь немного колеблются относительно своего нормального положения в кристаллической решетке.

Такие атомы, которые теряют свои электроны, будут называться положительными ионами.

Дырки имеют положительную электрическую зарядку и поддерживают отрицательный заряд.

Можно сказать, что на месте электронов, вытянутых из своих атомов, появляются незанятые пространства, которые мы называем дырками. Дырки имеют положительную электрическую зарядку и существуют в сочетании с отрицательным зарядом.

Таким образом, молекулы заряжаются. Нулевое состояние сохраняется и продолжается цикл.

Электроны и дырки представляют собой пары, которые имеют равное количество. Поэтому дырка может взять электрон, который находится близко. Таким образом, молекулы заряжаются. Нулевое состояние сохраняется, и процесс повторяется.

В результате, при помощи электрического тока, положительный ион превращается в нейтральный.

Соединение электронов с дырками называется рекомбинацией. Этот процесс позволяет электрику осуществлять перенаправление электронного тока и получать желаемый результат.

Количество электронов и дырок для конкретного полупроводника сохраняется равным в результате постоянного отрыва и добавления электронов к атомам в нем. Эта величина зависит от внешних условий, особенно от температуры.

При приложении напряжения к полупроводнику, электроны будут двигаться упорядоченно, вызывая ток посредством его электронной и дырочной проводимости.
Эта проводимость, известная как собственная, была упомянута ранее.

Чистые полупроводники с обеих сторон имеют электронную и дырочную проводимость и не пригодны для создания диодов, транзисторов и других компонентов, поскольку основой этих приборов является p-n (читается «пэ-эн») переход.

Для получения такого перехода необходимо использовать полупроводники двух типов: p-positive (положительный, дырочный) и n-negative (отрицательный, электронный).

Электрики получают разные полупроводники путём легирования, добавляя примеси в чистые кристаллы германия или кремния.