Современная микроэлектроника основана на удивительных свойствах полупроводников, а центральную роль в этом процессе играют электроны. Понимание их поведения в кристаллической решётке позволяет создавать транзисторы, микропроцессоры и другие компоненты, без которых немыслима сегодняшняя техника.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Их уникальность заключается в том, что проводимость можно контролировать, изменяя температуру, освещённость или добавляя примеси (легирование).
Ключевое отличие от металлов: в полупроводниках при абсолютном нуле нет свободных электронов, но при комнатной температуре часть электронов получает достаточно энергии для перехода в зону проводимости.
Электроны и дырки обладают разной подвижностью, что учитывают при проектировании электронных устройств.
Биполярные транзисторы используют оба типа носителей, а полевые — преимущественно электроны. Рассмотрим работу n-p-n транзистора:
Современные КМОП-технологии (КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) используют комбинацию n-канальных и p-канальных транзисторов, что позволяет значительно снизить энергопотребление.
Когда полупроводник с током помещают в магнитное поле, возникает поперечное напряжение (эффект Холла). Это явление используют в датчиках:
Развитие микроэлектроники привело к созданию структур с контролируемым поведением электронов:
Квантовые точки — нанокристаллы полупроводника, где электроны ограничены во всех трёх измерениях, что приводит к дискретным энергетическим уровням, как в атомах.
Эти технологии открывают путь к следующим поколениям электронных устройств с улучшенными характеристиками.