Na, akkor essünk neki a tudománynak!

Emlékszel még kémiából, hogy mi a kovalens kötés? Belátom, ez nagyon genya kérdés volt, mert miért is emlékeznél rá; a suli befejezése óta nem volt dolgod vele.

Az atomok önmagukban általában nem stabilak, kivéve a zárt elektronszerkezetű nemesgázokat.

A többi atom a stabil állapotot csak elektron leadással vagy felvétellel érheti el. Elektron leadás csak akkor lehetséges, ha az egyik atom közvetlen közelében van olyan másik atom, amelyik a leadott elektront felveszi. Ha a térben azonos atomok vannak, akkor ezek egymás elektronjait azonos mértékben vonzzák. E vonzás hatására új részecske, molekula jön létre. E molekula kémiailag semleges. Több, akár nagyon sok atommagból áll, közös elektronrendszerrel. A részecskét elektronpárok tartják össze. A két atom között közös elektronpárokkal kialakult kapcsolat a kovalens kötés. A kovalens kötés erős, elsőrendű kémiai kapcsolat, a molekula nagyon stabil.

Tételezzük föl, hogy egy édesanya egyedül neveli a lányát. Azt is tételezzük föl, hogy egy másik édesanya egyedül neveli a fiát. És hogyhogy nem, amikor a két gyerek ivarérett felnőtté válik, találkoznak egymással, szerelembe esnek, és megtörténik a tragédia: összeházasodnak.

Ettől kezdve mindketten mindkét anyukához tartoznak, és mert most az egyszer hiszünk a csodában, bízunk benne, hogy ez a négyelemű kapcsolat stabil is marad. Ha eltekintünk attól, hogy a két fiatal ellenkező nemű, kovalens kötéssel állunk szemben.

Ezzel is megvolnánk, ma sem éltél hiába.

Az elektronikában leggyakrabban használt félvezető a szilícium. A Föld kérgének 27%-a szilícium, de a természetben önállóan nem, csak vegyület formájában fordul elő.

A tiszta szilícium egyetlen atomja akkor volna stabil, ha a külső, M jelű atompályán, a vegyérték pályán nyolc elektron volna. Ámde csak négy van. Megint hozzáteszem, hogy természetesen csak modell az alábbi rajz, se drazsé, se gömböcskék, se ilyen egyszerű keringőzések nincsenek.

Akkor most képzelj el öt négy gyermekes családot! Az egyik család minden egyes gyermeke más-más családból házasodik. Így az egyik családban nyolc fiatal lesz, de a másik négyben még hiányzik három-három házasulandó. Ők is keresnek olyan családokat, ahol vannak még négyen, társra várva. Hány ilyen is kell? 4*3=12. Ebben a 12 családban is marad még 3-3 ifjú. Hogy ők is boldogok lehessenek, már 36 család egy-egy gyermekének kell bókolni.

A szilíciumban ilyen tömeges házassággal alakul ki az a rácsszerkezet, ami a tökéletes szilícium jellemzője volna.

Hangsúlyozom sokadszor, hogy a valóságban sem gömböcskék, sem rudak nincsenek, ez csak a kristályszerkezet egyszerűsített modellje.

S még ezt is továbbnyomorítjuk úgy, hogy síkban ábrázoljuk a cuccost.

Ha a valóság is ilyen szabályos volna, akkor a szilícium szigetelő volna, legfeljebb a kristály szélein volna némi határfelületi mocorgás.

Visszatérve a nagy családjainkhoz, béke s nyugalom, társadalmi idill lenne, ha… Ha nem trollkodna az emberi szenvedély. Az emberi faj poligám, s különösen azóta, hogy sokáig élünk, egyre gyakoribb, hogy nem vagyunk örökké hűségesek. S miként az embert kalandra csábítja a kíváncsiság, úgy tartja mozgásban az atomokat a hőenergia.

A hőmozgás következtében néhány elektron leszakad, szabaddá válik, átugorja a tiltott sávot, a szilícium vezetni kezd. Nem is kell hozzá sok elektron, 5 milliárd atomra jut egy szabad elektron. Viszont ha a kristály 1 gramm tömegű, akkor 10²² atom van benne, és a szabad elektronok száma kb. 2*10¹², kétbillió. Az így folyó áram gyönge ugyan, de emiatt félvezető a szilícium. Az áram pedig – ami a szilícium saját vezetése – úgy folyik, hogy egy-egy szabad elektron kitúr egy másikat a helyéről, főként, ha az amúgy is le akar szakadni. A leszakadt egy másikat túr ki, vagyis válunk, házasodunk, válunk, házasodunk. A szilícium szerkezetében némi eltolódás megy végbe.

S ez még csak a kezdet!

Remek nagycsaládos társadalmunkba bevándorló érkezik: egy öt gyermekes anyuka, s a gyerekei. Mondjuk, ők.

Ja, ez régen volt. Akkor ők.

A következő édesanyának is öt gyereke van, mert nem mindenütt akkora ügy a sok kölök, mint hazánkban.

Sajnos, a kicsikről nincs kép, így becsszóra el kell hinned. Mármint az ő becsületszavára.

Ha az ötgyermekes családot félvezetőre fordítjuk le, még a legtisztább szilíciumban is van néhány olyan atom, amelyiknek a külső pályáján öt elektron található. Ilyen lehet pl. a foszfor.

A legtisztább szilícium tizedmilliomod része ilyen atom; 1 cm³-ben kb. 50 billió idegen „szennyező” van. Ha a család mindegyik gyermeke házasodni akar, egy bizony hoppon marad, és szabad elektronként nyüzsög tovább.

Ha a szabad elektronokat valamilyen külső erő a kristály végébe vonzza, akkor az elektronok áthatolnak a rácson, hogy ott lehessenek, ahová hívták őket.

Mi lehet ez az erő? Egy külső elektromos feszültség. Az öt vegyértékű atomokból származó szabad elektronok elindulnak a feszültségforrás pozitív pólusa felé, ott kilépnek a kristályból, a feszültségforrás negatív pólusából viszont újabb szabad elektronok lépnek be a kristályba.

Mivel a szabad elektronok töltése negatív, az öt vegyértékű szennyezéseket, tehát többlet elektronokat tartalmazó félvezetőket „n” típusú félvezetőknek hívjuk.

Az a szennyező atom, amelyik átadta a szabad elektronját, már nem semleges, és miután már kevesebb negatív töltésű elektronja van, mint ahány pozitív töltésű protonja az atommagban, pozitív ionná válik.

Négy gyermekes anyukákból és gyermekeikből álló, idilli társadalmunkat az is megzavarhatja, ha három gyermekes anyukák vándorolnak be a kicsinyeikkel.

Addig nincs is gond, amíg e család három gyermekének kell társat találnia.

Viszont a társadalmi szabályok szerint ez a család csonkának számít. Ha meg akar felelni az elvárásoknak, az anyának gyereket kell rabolnia. Ez már önmagában is felháborító, hiszen az család lett most csonka, amelyik eddig tisztességes volt. Az elektronfizika nyelvén lyuk keletkezett. A lyukat betömendő, a csonkává vált család is rabol hát egy gyereket egy négy gyermekestől. Most az lesz csonka, a „lyuk” odébb ment. Kegyetlen világ, de működik.

A lyukak mozgását úgy is föl lehet fogni, hogy egy taxiállomáson egymás mögött állnak a kocsik.

Ha mondjuk, a második taxi kiáll, a helyén lyuk lesz. Ekkor a lyuk végén levő előrébb gurul, és mögötte lesz lyuk, tehát a lyuk egyre hátrébb kerül. Olyan, mintha a lyuk vándorolna.

A szilícium kristályban három vegyértékű atomok is találhatók. Három vegyértékű atom pl. a bór.

Az így szennyeződött kristályt „p” típusúnak nevezik.

Feszültséget kapcsolva a kristályra, a feszültségforrás negatív pólusából érkező elektron betapasztja a csonka atom lyukát, tehát ez az elektron közelebb került a feszültségforrás pozitív sarkához. Viszont egy újabb atom érkezett a negatív pólushoz, amit betöm a feszültségforrás következő elektronja. A jelenség állandóan ismétlődik, és amikor egy ilyen elektron végre eljut a pozitív pólusig, ahonnan átléphet a feszültségforrásba, a kristály másik végén egy lyuk eléri a negatív pólust, ahol a feszültségforrás elektronja fogja betömni.

Az a szennyező atom, amelyik felvett, ellopott egy szabad elektront, már nem semleges, és miután már több negatív töltésű elektronja van, mint ahány pozitív töltésű protonja az atommagban, negatív ionná válik.

Akarsz ezzel játszani? Semmi akadálya, csak töltsd le és indítsd el az alábbi alkalmazást, hiszen már biztosan van Javád.

https://phet.colorado.edu/hu/simulation/legacy/semiconductor

Most csak egy réteget állíts be, és változtatgasd a tápfeszültséget -4 és +4 V között, meg a szennyezés típusát!