За да открием как да използваме полупроводниците,
за да построим всички тези удивителни изчислителни устройства
ще започнем от нулата,
чак до разбирането
защо полупроводниците са полупроводници.
Имам предвид, защо определени материали
се държат като проводници,
които са много добри в предаването на електричество
през себе си, докато други – не?
За да разберем това, трябва да разгледаме на атомно ниво.
Може да имаме представа за атомите,
но познай какво?
Оказва се, че знанието ни
за атомната структура не е достатъчно.
И в това видео ще обобщим
всички неща, които може вече да знаем
от предишните видеа.
И ще видим защо настоящото знание
или настоящата теория за атомите
не е достатъчно, за да говорим за твърдите вещества като цяло,
които ще ни интересуват.
За начало, вече може да имаш представа.
Може да знаеш, че цялата материя е изградена от атоми.
И ако избереш един от тях и увеличиш,
може да знаеш, че самите атоми
са изградени от по-малки неща.
В центъра имаме нещо, наречено ядро,
което има положителен заряд,
и електроните, които са отрицателно заредени,
биват привлечени от ядрото
и се носят около ядрото в различни орбити,
точно като Слънчевата система
и как планетите се носят около Слънцето.
Това не е много точен модел.
Ще се върнем обратно към това.
Но засега нека използваме този модел.
Но важното нещо е, че има някои електрони,
като тези, които са силно свързани с ядрото.
Наричаме ги свързани електрони.
Свързани електрони и те не са отговорни
за провеждане.
Докато има други електрони,
които не са толкова силно привлечени от ядрото
и те са свободни да се движат
от един атом в друг.
И тези електрони наричаме
провеждащи електрони, или свободни електрони,
и те са отговорни за провеждането.
И в някои материали
е много лесно да получиш тези свободни електрони.
И ще имаш много от тях.
И наричаме тези материали
проводници.
От друга страна, в някои материали
е много трудно да получиш тези свободни електрони.
И, като резултат, имаш изключително пренебрежимо количество.
И, като резултат, те са лоши проводници, или изолатори.
И, разбира се, имаме междинните,
които наричаме полупроводници.
Мисля, че най-важният въпрос,
който трябва да си зададем тук,
е как електронът става свободен?
Какво го прави свободен и от какво зависи това?
Това е нещото, което трябва да открием.
И трябва да разгледаме цялото това нещо
като твърдо вещество, понеже полупроводниците ни са твърди вещества.
Трябва да открием
какво прави електроните свободни в твърди вещества.
И за да направим това трябва да преминем отвъд този
модел на Слънчевата система за атома, който, както споменах преди,
не е много точен.
И трябва да разгледаме по-точен модел
на атомната структура.
Да направим това.
Може би вече научи за това по хими.
Оказва се, че вместо да мислим
къде са електроните и какви орбити
или какъв път поемат
е много по-добре да мислим за тях спрямо енергия.
По-добре е да мислим какви са енергиите,
които електроните могат да приемат.
И може би вече учи по химия,
че във всеки атом,
ако начертая тук енергиите,
във всеки атом електроните могат да имат само няколко
специфични стойности за енергията,
само някои специфични стойности за енергията.
И може би най-ниската енергия,
която един електрон може да има, е някъде тук.
Няма да записваме числата тук.
Няма да разглеждаме това много количествено,
не се тревожи за това.
Може би това е най-ниската енергия,
която един електрон може да притежава.
Следващата по-висока енергия, която един електрон може да притежава,
може да е някъде тук,
а може би следващата може да е някъде тук
и така нататък.
И даваме имена на тези енергийни нива.
Наричаме най-ниското 1s енергийно ниво.
Следващото по-високо става 2s,
след това идва 2р.
После имаме 3s и 3р, и така нататък.
Отново, ако това ти изглежда много ново
и нямаш идея какво са s и р,
тогава ще е добре да спреш тук,
да се върнеш и да гледаш видеата за електронната конфигурации
в плейлистата по химия, а после да дойдеш отново тук.
Но се оказва, че електроните не могат да приемат
тези енергийни нива на случаен принцип.
Има определено правило кои електрони
запълват тези енергийни нива.
И това правило – отново, може да учи за него.
Наричаме го принцип на Паули за изключването.
Принцип или правило
на Паули за изключването.
То просто казва, че никои два електрона...
никои два електрона
не могат да имат
идентични енергии.
Отново, това не е точното твърдение на Паули,
но ще ни помогне, достатъчно ни е.
Нека вземем конкретен пример.
Предположи, че вземем натриев атом.
Той има 11 електрона.
Има 11 електрона.
И тези 11 електрона
могат да имат само специфични енергийни нива.
И начинът, по който тези електрони
ще запълнят енергийните нива,
ще е чрез принципа на изключването.
Първият електрон... помни,
електроните винаги искат да приемат най-ниската възможна енергия.
Първият електрон би дошъл ето тук,
а после може да мислиш, че следващият електрон
не може да дойде тук, понеже Паули ни казва така.
Не спорим с Паули.
Вторият електрон, ако дойде тук,
може да има идентична енергия, но не съвсем,
понеже се оказва, че електроните могат да имат
спин нагоре и спин надолу.
Ако първият електрон влезе на нива 1s
и приеме спин нагоре,
друг електрон може да приеме
същото енергийно ниво и да е със спин надолу,
понеже се оказва, че тези два спина
имат леко различаваща се енергия.
Тези два електрона, строго казано,
пак спазват правилото на Паули, понеже не са точно идентични,
поради спиновете си.
Но следващият електрон, третият електрон,
не може да приеме 1s енергийното ниво,
понеже ако го направи и е със спин нагоре,
той ще е идентичен на този,
а ако го направи и е със спин надолу,
тогава ще е идентичен на този.
Не може да приеме това ниво.
Трябва да приеме
следващото по-високо енергийно ниво, което е налично, и то е това тук.
Може да дойде тук.
Енергийните нива между тези са недостъпни
за тези електрони.
Следващата енергия, която може да приеме, ще е 2s.
Отново, може да го приеме със спин нагоре.
Четвъртият електрон може да дойде тук със спин надолу.
Следващият електрон ще дойде тук, спин нагоре,
а следващият ще е със спин надолу.
И ето какво.
Оказва се, че в р енергийното ниво
има три начина, по които електроните
могат да заемат това енергийно ниво.
Наричаме ги орбитали.
Оказва се, че в s енергийните нива
има само един начин.
Има само една орбитала.
Но в р има три орбитали.
Така че друг електрон може да приеме 2р енергийното ниво
като е в различна орбитала.
Този електрон и този електрон
ще са в различни орбитали,
или различни конфигурации.
Не е нужно да се тревожим много за името.
Но пак няма да са идентични.
И друг електрон може да заеме същата тази орбитала
със спин надолу.
Друг електрон, третата р орбитала, спин нагоре,
а после спин надолу.
Сега 2р е напълно запълнено.
Няма повече налични орбитали.
Така че последният електрон,
стигаме до 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,
8, 9, 10, последният електрон ще е тук,
в 3s, със спин нагоре.
Но това е за единичен атом на натрия.
Ами ако имаме, да кажем, два атома натрий,
които са много близо един до друг, какво се случва?
Нещо такова...
Ами ако образуват молекула?
Как електроните в тази молекула
ще запълнят енергийните нива?
Можем ли да кажем, че всеки атом ще има нещо такова?
Всеки атом ще има електрони, които го запълват съответно?
Това няма да проработи, не може да е възможно.
И начинът да помислим за това
е че можем да кажем, ако го направим така,
принципът на Паули ще бъде нарушен.
Помни, принципът на Паули казва, че никои два електрона
и когато кажем никои два електрона,
това може да са никои два електрона в атом
или никои два електрона в молекула,
или може би никои два електрона в цялото твърдо вещество.
Никои два електрона не могат да имат идентични енергии.
Така че ако двата атома имат тези електронни конфигурации,
тогава можеш да видиш, че този електрон
и този електрон ще са идентични.
Този и този ще са напълно идентични.
И всички те ще имат идентични двойки,
и принципът на Паули ще е нарушен, така че това не може да е възможно.
И ако имаме цяло твърдо вещество,
което е изградено от натрий, където имаме, например, 10^23
атома близо един до друг,
и ако използваме този модел за всеки атом,
тогава ще има около 10^23 идентични копия
електрони във всяко ниво.
И принципът на Паули ще е нарушен.
Ключовото нещо е че тази структура,
която учихме за единичен атом, не може да бъде разширена,
когато стигнем до твърдите вещества.
Трябва ни нова теория, за да разберем какво става
и как електроните са подредели, или как да мислим за тях,
когато става въпрос за твърди вещества.
И ще проучим това в следващите видеа.