WEBVTT

00:00:00.000 --> 00:00:02.070
За да разберем как да използваме 
полупроводниците,

00:00:02.070 --> 00:00:04.530
за да построим всички тези
удивителни изчислителни устройства,

00:00:04.530 --> 00:00:06.210
ще започнем от самото
начало,

00:00:06.210 --> 00:00:08.620
чак до разбирането

00:00:08.620 --> 00:00:11.520
защо полупроводниците 
са полупроводници.

00:00:11.520 --> 00:00:13.070
Имам предвид защо 
определени материали

00:00:13.070 --> 00:00:13.990
се държат като проводници,

00:00:13.990 --> 00:00:16.530
които са много добри 
в предаването на електричество

00:00:16.530 --> 00:00:18.870
през себе си, докато други – не?

00:00:18.870 --> 00:00:23.570
За да разберем това, трябва 
да разгледаме нещата на атомно ниво.

00:00:23.570 --> 00:00:26.490
Може да имаме представа 
за атомите,

00:00:26.490 --> 00:00:27.323
но познай какво?

00:00:27.323 --> 00:00:28.420
Оказва се, че знанието ни

00:00:28.420 --> 00:00:30.900
за атомната структура не е 
достатъчно.

00:00:30.900 --> 00:00:32.850
В това видео ще обобщим

00:00:32.850 --> 00:00:34.650
всички неща, които може би
вече знаем

00:00:34.650 --> 00:00:35.830
от предишните видеа.

00:00:35.830 --> 00:00:38.620
Ще видим защо настоящото знание

00:00:38.620 --> 00:00:39.830
или настоящата теория за атомите

00:00:39.830 --> 00:00:44.000
не е достатъчна, за да говорим 
за твърдите вещества като цяло,

00:00:44.000 --> 00:00:45.450
които ще ни интересуват.

00:00:46.620 --> 00:00:48.890
За начало, вече може 
да имаш представа.

00:00:48.890 --> 00:00:53.160
Може да знаеш, че цялата 
материя е изградена от атоми.

00:00:53.160 --> 00:00:56.900
Ако избереш един от тях 
и увеличиш,

00:00:56.900 --> 00:00:59.100
може да знаеш, че самите атоми

00:00:59.100 --> 00:01:01.110
са изградени от по-малки неща.

00:01:01.110 --> 00:01:03.370
В центъра имаме нещо,
наречено ядро,

00:01:03.370 --> 00:01:05.000
което има положителен заряд,

00:01:05.000 --> 00:01:07.660
и електроните, които са 
отрицателно заредени,

00:01:07.660 --> 00:01:08.990
биват привлечени от ядрото

00:01:08.990 --> 00:01:12.210
и се носят около ядрото 
в различни орбити,

00:01:12.210 --> 00:01:13.620
точно както в Слънчевата система

00:01:13.620 --> 00:01:15.460
планетите се носят около Слънцето.

00:01:15.460 --> 00:01:17.290
Това не е много точен модел.

00:01:17.290 --> 00:01:18.850
Ще се върнем обратно към това.

00:01:18.850 --> 00:01:20.650
Но засега нека използваме 
този модел.

00:01:20.650 --> 00:01:23.490
Важното нещо е, че има 
някои електрони,

00:01:23.490 --> 00:01:26.690
като тези, които са силно 
свързани с ядрото.

00:01:26.690 --> 00:01:28.603
Наричаме ги свързани електрони.

00:01:29.620 --> 00:01:31.750
Свързаните електрони 
не са отговорни

00:01:31.750 --> 00:01:33.070
за електропроводимостта.

00:01:33.070 --> 00:01:35.300
Докато има други електрони,

00:01:35.300 --> 00:01:37.740
които не са толкова силно 
привлечени от ядрото

00:01:37.740 --> 00:01:41.210
и те са свободни да се движат

00:01:41.210 --> 00:01:43.280
от един атом в друг.

00:01:43.280 --> 00:01:45.800
Тези електрони наричаме

00:01:45.800 --> 00:01:47.580
провеждащи електрони, 
или свободни електрони,

00:01:47.580 --> 00:01:50.590
и те са отговорни за 
електропроводимостта.

00:01:50.590 --> 00:01:51.710
В някои материали

00:01:51.710 --> 00:01:54.640
е много лесно да получиш 
тези свободни електрони.

00:01:54.640 --> 00:01:56.840
Ще имаш много от тях.

00:01:56.840 --> 00:01:59.440
Наричаме тези материали

00:01:59.440 --> 00:02:00.610
проводници.

00:02:00.610 --> 00:02:02.140
От друга страна, в някои материали

00:02:02.140 --> 00:02:04.690
е много трудно да получиш 
тези свободни електрони

00:02:04.690 --> 00:02:07.900
затова те са пренебрежимо 
малко количество.

00:02:07.900 --> 00:02:11.340
Като резултат, те са лоши 
проводници, или са изолатори.

00:02:11.340 --> 00:02:13.150
И, разбира се, имаме междинните,

00:02:13.150 --> 00:02:15.280
които наричаме полупроводници.

00:02:15.280 --> 00:02:16.600
Мисля, че най-важният въпрос,

00:02:16.600 --> 00:02:18.540
който трябва да си зададем тук,

00:02:18.540 --> 00:02:21.060
е как електронът става свободен?

00:02:21.060 --> 00:02:23.330
Какво го прави свободен 
и от какво зависи това?

00:02:23.330 --> 00:02:25.120
Това е нещото, което трябва 
да открием.

00:02:25.120 --> 00:02:27.800
Трябва да разгледаме 
цялото това нещо

00:02:27.800 --> 00:02:31.610
като твърдо вещество, понеже 
полупроводниците са твърди вещества.

00:02:31.610 --> 00:02:33.650
Трябва да открием

00:02:33.650 --> 00:02:37.080
какво прави електроните 
свободни в твърди вещества.

00:02:37.080 --> 00:02:39.850
За да направим това, трябва 
да преминем отвъд този

00:02:39.850 --> 00:02:43.110
модел на Слънчевата система за атома, 
който, както споменах преди,

00:02:43.110 --> 00:02:44.300
не е много точен.

00:02:44.300 --> 00:02:47.280
Трябва да разгледаме по-точен модел

00:02:47.280 --> 00:02:49.510
на атомната структура.

00:02:49.510 --> 00:02:50.970
Да направим това.

00:02:50.970 --> 00:02:53.680
Може би вече учи за това по химия.

00:02:53.680 --> 00:02:55.380
Оказва се, че вместо да мислим

00:02:55.380 --> 00:02:59.820
къде са електроните и по 
какви орбити се движат,

00:02:59.850 --> 00:03:03.340
е много по-добре да ги разглеждаме
според тяхната енергия.

00:03:03.340 --> 00:03:05.450
По-добре е да мислим 
какви са енергиите,

00:03:05.450 --> 00:03:07.000
които електроните могат да приемат.

00:03:07.000 --> 00:03:09.280
Може би вече учи по химия,

00:03:09.280 --> 00:03:11.200
че във всеки атом,

00:03:11.200 --> 00:03:14.940
ако начертая тук енергиите,

00:03:14.940 --> 00:03:18.440
във всеки атом електроните 
могат да имат само няколко

00:03:18.440 --> 00:03:22.880
специфични стойности
на енергията.

00:03:22.880 --> 00:03:24.720
Може би най-ниската енергия,

00:03:24.720 --> 00:03:26.970
която един електрон може да има, 
е някъде тук.

00:03:26.970 --> 00:03:29.310
Няма да записваме числата тук.

00:03:29.310 --> 00:03:30.960
Няма да разглеждаме това 
много количествено,

00:03:30.960 --> 00:03:32.010
не се тревожи за това.

00:03:32.010 --> 00:03:33.450
Може би това е най-ниската 
енергия,

00:03:33.450 --> 00:03:35.000
която един електрон може 
да притежава.

00:03:35.000 --> 00:03:36.730
Следващата по-висока енергия, 
която един електрон може да притежава,

00:03:36.730 --> 00:03:38.450
може да е някъде тук,

00:03:38.450 --> 00:03:41.240
а може би следващата
може да е някъде тук

00:03:41.240 --> 00:03:42.290
и така нататък.

00:03:42.290 --> 00:03:44.550
Даваме имена на тези 
енергийни нива.

00:03:44.550 --> 00:03:48.570
Наричаме най-ниското 
1s енергийно ниво.

00:03:48.570 --> 00:03:50.120
Следващото по-високо става 2s,

00:03:51.170 --> 00:03:54.230
след това идва 2р.

00:03:54.230 --> 00:03:58.984
После имаме 3s и 3р, и така нататък.

00:03:58.984 --> 00:04:01.780
Отново, ако това ти изглежда 
много ново

00:04:01.780 --> 00:04:03.800
и нямаш идея какво са s и р,

00:04:03.800 --> 00:04:06.650
тогава ще е добре да спреш тук,

00:04:06.650 --> 00:04:09.360
да се върнеш и да гледаш видеата 
за електронната конфигурации

00:04:09.360 --> 00:04:13.180
в плейлистата по химия, 
а после да дойдеш отново тук.

00:04:13.180 --> 00:04:15.760
Но се оказва, че електроните 
не могат да заемат

00:04:15.760 --> 00:04:17.700
тези енергийни нива 
на случаен принцип.

00:04:17.700 --> 00:04:20.340
Има определено правило 
кои електрони

00:04:20.340 --> 00:04:23.310
запълват тези енергийни нива.

00:04:23.310 --> 00:04:25.540
И това правило – отново, 
може да учи за него.

00:04:25.540 --> 00:04:28.980
Наричаме го принцип на Паули 
за изключването.

00:04:28.980 --> 00:04:31.683
Принцип или правило

00:04:33.380 --> 00:04:35.930
на Паули за изключването.

00:04:35.930 --> 00:04:39.150
То просто казва, че никои
два електрона...

00:04:39.150 --> 00:04:41.210
никои два електрона

00:04:42.190 --> 00:04:44.870
не могат да имат

00:04:44.870 --> 00:04:48.950
идентични енергии.

00:04:48.950 --> 00:04:51.670
Отново, това не е точното 
твърдение на Паули,

00:04:51.670 --> 00:04:54.320
но ще ни помогне, достатъчно ни е.

00:04:54.320 --> 00:04:56.230
Нека вземем конкретен пример.

00:04:56.230 --> 00:04:59.590
Предположи, че вземем натриев атом.

00:04:59.590 --> 00:05:03.600
Той има 11 електрона.

00:05:03.600 --> 00:05:05.393
Има 11 електрона.

00:05:07.040 --> 00:05:08.850
И тези 11 електрона

00:05:08.850 --> 00:05:11.480
могат да имат само 
специфични енергийни нива.

00:05:11.480 --> 00:05:13.560
Начинът, по който тези електрони

00:05:13.560 --> 00:05:15.200
ще запълнят енергийните нива,

00:05:15.200 --> 00:05:17.700
е съгласно принципа
на изключването.

00:05:17.700 --> 00:05:21.250
Първият електрон... помни,

00:05:21.250 --> 00:05:23.580
електроните винаги искат да приемат
най-ниската възможна енергия.

00:05:23.580 --> 00:05:26.960
Първият електрон би дошъл ето тук,

00:05:26.960 --> 00:05:28.610
а после може да мислиш, 
че следващият електрон

00:05:28.610 --> 00:05:31.050
не може да дойде тук, 
понеже Паули ни казва така.

00:05:31.050 --> 00:05:32.410
Не спорим с Паули.

00:05:32.410 --> 00:05:34.110
Вторият електрон, 
ако дойде тук,

00:05:34.110 --> 00:05:37.260
може да има идентична 
енергия, но не съвсем,

00:05:37.260 --> 00:05:40.700
понеже се оказва, че 
електроните могат да имат

00:05:40.700 --> 00:05:42.380
спин нагоре и спин надолу.

00:05:42.380 --> 00:05:45.360
Ако първият електрон влезе 
на ниво1s

00:05:45.360 --> 00:05:47.920
и приеме спин нагоре,

00:05:47.920 --> 00:05:50.370
друг електрон може да приеме

00:05:50.370 --> 00:05:53.590
същото енергийно ниво 
и да е със спин надолу,

00:05:53.590 --> 00:05:54.950
понеже се оказва, че тези два спина

00:05:54.950 --> 00:05:57.100
имат леко различаваща се енергия.

00:05:57.100 --> 00:05:59.240
Тези два електрона, строго казано,

00:05:59.240 --> 00:06:02.140
пак спазват правилото на Паули, 
понеже не са точно идентични

00:06:02.140 --> 00:06:03.740
поради спиновете си.

00:06:03.740 --> 00:06:05.640
Но следващият електрон, 
третият електрон,

00:06:05.640 --> 00:06:08.650
не може да се разположи
на 1s енергийното ниво,

00:06:08.650 --> 00:06:10.640
понеже ако го направи
и е със спин нагоре,

00:06:10.640 --> 00:06:11.880
той ще е идентичен на този,

00:06:11.880 --> 00:06:13.120
а ако го направи и е със спин надолу,

00:06:13.120 --> 00:06:15.100
тогава ще е идентичен на този.

00:06:15.100 --> 00:06:16.680
Не може да заеме това ниво.

00:06:16.680 --> 00:06:18.150
Трябва да заеме

00:06:18.150 --> 00:06:20.850
следващото по-високо енергийно ниво, 
което е налично, и то е това тук.

00:06:20.850 --> 00:06:22.730
Може да дойде тук.

00:06:22.730 --> 00:06:24.960
Енергийните нива 
между тези са недостъпни

00:06:24.960 --> 00:06:25.793
за тези електрони.

00:06:25.793 --> 00:06:28.280
Следващата енергия, която 
може да приеме, ще е 2s.

00:06:28.280 --> 00:06:30.300
Отново, може да бъде
със спин нагоре.

00:06:30.300 --> 00:06:33.580
Четвъртият електрон може 
да дойде тук със спин надолу.

00:06:33.580 --> 00:06:36.910
Следващият електрон 
ще дойде тук, спин нагоре,

00:06:36.910 --> 00:06:38.763
а следващият ще е със спин надолу.

00:06:39.700 --> 00:06:40.850
И ето какво.

00:06:40.850 --> 00:06:44.060
Оказва се, че в р енергийното ниво

00:06:44.060 --> 00:06:46.630
има три начина, по които 
електроните могат

00:06:46.630 --> 00:06:48.420
да заемат това енергийно ниво.

00:06:48.420 --> 00:06:50.830
Наричаме ги орбитали.

00:06:50.830 --> 00:06:52.960
Оказва се, че в s енергийните нива

00:06:52.960 --> 00:06:53.920
има само един начин.

00:06:53.920 --> 00:06:55.710
Има само една орбитала.

00:06:55.710 --> 00:06:57.900
Но в р има три орбитали.

00:06:57.900 --> 00:07:01.761
Така че друг електрон може 
да заеме 2р енергийното ниво

00:07:01.761 --> 00:07:04.450
като е в различна орбитала.

00:07:04.450 --> 00:07:05.910
Този електрон и този електрон

00:07:05.910 --> 00:07:07.660
ще са в различни орбитали,

00:07:07.660 --> 00:07:09.450
или различни конфигурации.

00:07:09.450 --> 00:07:10.970
Не е нужно да се тревожим 
много за името.

00:07:10.970 --> 00:07:12.930
Но пак няма да са идентични.

00:07:12.930 --> 00:07:15.320
Друг електрон може да заеме 
същата тази орбитала

00:07:15.320 --> 00:07:16.750
със спин надолу.

00:07:16.750 --> 00:07:21.170
Другият електрон е в третата 
р-орбитала със спин нагоре,

00:07:21.170 --> 00:07:22.880
а после следващият 
е със спин надолу.

00:07:22.880 --> 00:07:25.040
Сега 2р е напълно запълнено.

00:07:25.040 --> 00:07:28.170
Няма повече налични орбитали.

00:07:28.170 --> 00:07:29.190
Така че последният електрон,

00:07:29.190 --> 00:07:31.120
стигаме до 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,

00:07:31.120 --> 00:07:35.090
8, 9, 10, последният електрон 
ще е тук,

00:07:35.090 --> 00:07:37.810
в 3s, със спин нагоре.

00:07:37.810 --> 00:07:41.540
Но това е за единичен 
атом на натрия.

00:07:41.540 --> 00:07:44.970
Ами ако имаме, да кажем, 
два атома натрий,

00:07:44.970 --> 00:07:47.413
които са много близо 
един до друг, какво се случва?

00:07:49.090 --> 00:07:49.923
Нещо такова...

00:07:49.923 --> 00:07:52.060
Ами ако образуват молекула?

00:07:52.060 --> 00:07:54.990
Как електроните в тази молекула

00:07:54.990 --> 00:07:56.310
ще запълнят енергийните нива?

00:07:56.310 --> 00:07:59.600
Можем ли да кажем, че всеки атом 
ще има нещо такова?

00:07:59.600 --> 00:08:03.610
Всеки атом ще има електрони, 
които запълват орбиталите съответно?

00:08:03.610 --> 00:08:06.160
Това няма да проработи,
не може да е възможно.

00:08:06.160 --> 00:08:07.290
Начинът да си представим това е,

00:08:07.290 --> 00:08:09.370
че можем да кажем –
ако го направим така –

00:08:09.370 --> 00:08:11.360
че принципът на Паули 
ще бъде нарушен.

00:08:11.360 --> 00:08:13.850
Спомни си, принципът на Паули гласи,
че никои два електрона –

00:08:13.850 --> 00:08:15.490
и когато кажем никои два електрона,

00:08:15.490 --> 00:08:17.740
това може да са никои два 
електрона в атом

00:08:17.740 --> 00:08:20.370
или никои два електрона 
в молекула,

00:08:20.370 --> 00:08:23.960
или може би никои два електрона 
в цялото твърдо вещество.

00:08:23.960 --> 00:08:26.490
Никои два електрона не могат 
да имат идентични енергии.

00:08:26.490 --> 00:08:30.040
Така че, ако двата атома имат 
тези електронни конфигурации,

00:08:30.040 --> 00:08:32.390
тогава можеш да видиш,
че този електрон

00:08:32.390 --> 00:08:35.430
и този електрон ще са идентични.

00:08:35.430 --> 00:08:38.720
Този и този ще са напълно 
идентични.

00:08:38.720 --> 00:08:40.960
Всички те ще имат идентични
двойки,

00:08:40.960 --> 00:08:45.360
и принципът на Паули ще е нарушен, 
така че това не може да е възможно.

00:08:45.360 --> 00:08:48.080
Ако имаме цяло твърдо вещество,

00:08:48.080 --> 00:08:51.710
което е изградено от натрий, 
където имаме, например, 10^23

00:08:51.710 --> 00:08:53.870
атома близо един до друг,

00:08:53.870 --> 00:08:57.520
и ако използваме този модел 
за всеки атом,

00:08:57.520 --> 00:09:00.835
тогава ще има около 
10^23 идентични копия

00:09:00.835 --> 00:09:03.340
електрони във всяко ниво.

00:09:03.340 --> 00:09:08.020
Принципът на Паули ще е нарушен.

00:09:08.020 --> 00:09:11.370
Ключовото нещо е, че тази структура,

00:09:11.370 --> 00:09:15.400
която учихме за отделния атом,
не може да бъде разширена,

00:09:15.400 --> 00:09:16.830
когато стигнем до твърдите 
вещества.

00:09:16.830 --> 00:09:19.700
Трябва ни нова теория, 
за да разберем какво става

00:09:19.700 --> 00:09:22.233
и как електроните са се подредели, 
или как да си ги представим,

00:09:22.233 --> 00:09:24.040
когато става въпрос 
за твърди вещества.

00:09:24.040 --> 00:09:26.583
Ще разгледаме това
в следващите видеа.