Е. Айсберг - Транзистор - Это оччень просто!, страница 5

— А германий со своими четырьмя электронами тоже представляет собой изолятор? Л.— И ла, и нет, мой дорогой друг. В следующий раз я объясню тебе, что означает мой достойный древнегреческого оракула ответ. Примеси, содержащиеся в полупроводниках даже в ничтожных количествах, резко из.игеняют электрические свойства этих материалов. Двое наших друзей изучают здесь, что происходит, когда чужеродные атомы нарушают правильную структуру кристаллической решетки. С о д е р ж а и и ег Собственная проводимость. Фотосопротивления и фотоэлементы.

Примеси. Доноры. Дырки. Акцепторы. Полупроводники типов р и и. Перетод. Потенииальньгй барьер. Прямог и обратное напряжения. Напряжение пробоя. Диод, Вьгпрялгление тока полупроводниками. ФФФФм++Ф++++рй р+йу+м ПЕРЕХОДЫ Спогбойнвя сеугейная экггзнь аиго.ггов Незиайкии. — Я много думал о твоих кристаллических решетках и даже пошел во Дворец открытий ' посмотреть модели, изображающие структуру различных кристаллов.

Этн модели очень красивы: разноцветные маленькие шарики, изображающие атомы, соединены металлическими трубочками, представляющими валентные связи. Любознайкин.— Поздравляю, что ты с такой пользой провел свой досуг. Л к чему же привели твои разыышлепияэ Н. — К идее, что кристалл германия похож на большое количества семей, каждая нз которых имеет по четыре ребенка, а каждый ребенок одной семьи женат на ребенке одной нз четырех соседних сеыей. Таким образом, по супружескаы связям каждая из семей породнилась с че.

тырьмя другими (рис. 9). Рнс. Э. Крняталличаска» Рашагяа может быть Орьаст*- нлена и виде этОЙ сяямм, хотя н лаяятингальньатн мажатомяма снязи расяалажаиы на н одной ильгкьсгн, а н ОРО- гтранстаа. Л. — Ты нарнсовал совсем неплохую картину, она даже поможет объяснить тебе дальнейшее. Действительйо, в описанном тобой исключительно уравновешенном обществе нельзя ожидать больших потрясений, если асе пары будут сохранять безупречную верность. И в нашем кристалле германия все электроны должны оставаться крепко прнвязаннымн к своим атомам прочнымн валентными связямп.

Н. — Но что ты сделаешь с человеческими страстями? О несгбояьгбгьпр разводах Л.— Ты, как я вижу, прочитал какой-нибудь сентиментальный роман... Ну, ладно. То гно так же, как людьми движут страсти, атомы подвержены тепловому воздействию, которому время от времени удается вырвать из той или иной связи электрон н освободить его. Д ты знаешь, что когда электроны свободны...

' Музей н Парижа, аналогичный Пьлнтеанячаькому музею н Мььяае. Прим. иерее, 17 Н. — ...тело становится проводником тока. Много ли свободных электронов в германии при нормальной температурег Л. — Нет, очень мало. Едва ли два электрона иа 1О миллиардов (т. е. иа 10м)' атомов. Это примерно такое соотношение, как если бы на удвоенное население земного шара был только один свободный человек. Н.— Какая ужасная картина! Но если это так, то германий должен быть очень плохим проводником? Л.— )Та, и именно по этой причине его назвали полупроводником. Заметь, однако, что в одном грамме германия имеется десять тысяч мнллнардов миллиардов (или 10") атомов, так что в пем содержится около двух тысяч миллиардов (или 2 ° !О'т) свободных электронов.

Это лучше, чем ничего... и такого количества достаточно, чтобы пропускать небольшой тоь. Н. — Ты говоришь мне о миллиардах миллиардов электронов и утверждаешь, что ток небольшой! Л. — Значит, ты, Незнайкин, забыл, что плотность тока в один ампер соответствует прохождению шести миллиардов миллиардов (или б ° 1Ом) электронов в секунду.

Ты, конечно, поймешь, ~то наши несколько жалких тысяч мяллиардов свободных электронов, разбросанных в колоссальной кристаллической решетке германия, могут создать только небольшую проводимость. Последняя обязана своим существованием тепловому движению и (обрати на это внимание) носит название с о б с т в е н н о й п р о. водимости. Н.— Одним словом, дело обстоит так, как есле бы в нашем образцово организованном обществе изредка случалась разводы и повторные браки, определяющие переходы из одной семьи в другу\о. Л. — Это тоже правильно. А чтобы лучше использовать твое сравнение, скажем, что иногда там может, как пишут в романах, дуть «знойный ветер страстейа, вызынающпй большие потрясения.

Н. — Я догадываюсь, что ты хочешь сказать. Если повышать темпе. ратуру кристалла германия, то тепловое движение, становясь быстрее, высвобождает большее количество электронов. Собственная проводимость в этом случае повышается. В отличие от того, что имеет место в проводниках, сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается. Л. — Ты хорошо рассудил, Иезнайкян( Именно поэтому германий плохо работает при повышенных температурах.

Нас в германии интересует не его собственная проводимость, потому что не ее используют в транзясторах. Кремний лучше выдерживает повышение температуры, так как его валептные электроны, находящиеся па третьей оболочке, крепче связаны с ядром, чем валентные электроны германия. находящиеся на четвертой оболочке. Я добавлю, что можно также высвобождать влек. троны, воздействуя на атомы полупроводника не тепловой, а световой энергией. Н. — Не хочешь ли ты сказать, что фотоны, эти зернышки света, бомбардируя атомы германия, вырывают из них электроныу Л.— Ла, и это свойство позволяет делать из германия фотосопротивления, т.

е. устройства, сопротивление которых изменяется под воздействием освещения. В наиболее старом из известных фотоэлементов используется селен, который также является полупроводником. Н. — Впрочем, я пользуюсь фотоэкспонометром, в котором установлен такой элемент... Л.

— Фотоэлемент в твоем экспонометре, очевидно, сделан не из селена, который по своей природе является фотосопротнвлением, а, возможно, из кадмия илн кремния. Этк вещества позволяют создавать генерирующие фотоэлементы, т. е. устройства, преобразующие световую энергию в электрический ток. Н. — Не такие ли элементы. освещаемые солнцем, питают электрн. ческнм током космические станции? Скандал .многочисленных семей Л.

— Йа, Незнайкин. А теперь мы станем свидегелямн смуты в нашем так хорошо органнзовацном обществе, введя в него семью с пятью детьми. Н.— Что ты хочешь этим сказать? Л.— Что среди атомов даже самого чистого германия содержатся в самых малых количествах атомы других элементов, именуемых п р и не ° сами. В самом чистом германии на миллиард атомов имеется один атом примеси. Н.— Стоит ли обращать внимание на такую малость? Ведь это все равно, что их вообще нет.

Л.— Ты неправ, когда пренебрегаешь этими примесями, потому что даже при такой ничтожной пропорции в одном кубическом сантиметре германия, который называют ч и с т ы м, солержится пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных или, как их называют, при меси ых атомов. Н.— Я не подумал, что этот кубический сантиметр содержит тысячи миллиардов атомов... Но что делает семья с пятью детьми? Ты хочешь сказать, что речь идет об атоме с пятью электронами на внешней оболочке? Л.— Совершенно верно.

Один пятивалентный атом, например атом мышьяха или сурьмы, проник в благородное общество атомов германия (рис. 10)... и скандал разразился! Рнс. П. Проволнчость в палупровалннке типа л. Пвоболные злектроны (помеченм знаком мннус1 атрываютс» от пятнвалентныл атомов, ноторые яз.за этого становятся поломятельмымя яояамя (помечены знаком плюс). Рнс. 10. Пятявалентный пряыесный атон нарушил безукоряансннмй порялок крясталляческой решетки. Что станет с пятмм электроном этого атома? Н.

— О (евидио, потому, что если удастся переженить четырех детей атой странной семьи с детьми четырех соседних семей, то пятый остается безнадежным холостяком? Л.— Да, Незнайкин, четыре электрона образуют валеитиые связи с четырьмд соседними атомами кристаллической решетки, а пятый электрон остается свободным. Н.

— Если я правильно понимаю, то, прилагая напряжение между двумя точками кристалла, можно создать там ток, ибо свободные электроны, появившиеся благодаря пятиналентным элементам, будут притягиваться положительным полюсом, а отрицательный полюс источника тока одновремвнно выпустит в кристалл такое же количество электронов (рис. 1!). Л.— Да, такое явление происходит в полупроводнике, содержащем пятивалентиые примеси, т, е. примеси с избытком электронов. Говорят, что зто полупроводник типа и (от слова пейайче — отрнцательвый). А такие нримеси часто называются дои о р а м и, так как оьл дают свбодные электроны.

Н. — Каково обычное содержание примесей? Л. — Максимум один атом на десять миллионов атомов гермавия, т. е. такая же пропорция, как четыре человека на все население Франции. Н. — Да, однако в этом случае мы получим примесей в сто раз больше, чем их содержится в самом чистом германии Но что станет с атомоы примеси, например, мышьяка, у которого оторвался свободный электрон? По-моему, он перестанет быть нейтральным н, имея теперь электронов меньше, чем протонов, станет положительным. Л.

— О, да. Как бы нн казался парадоксальным этот Факт, а в германин типа п атомы примеси оказываются ионнзированными положительно. + (? (та Ф р' ИСПЬОРийй С ПОХЫЩЕНйбЕМ 0ЕтПЕТ"й Н. — А что случится с нашим кристаллическим обществом, если одна 'из семей будет иметь лишь трех детей, иначе говоря, если в крнста.чл полупроводника ввести атомы, имеющие на внешней оболочке только трн электронаа', Л.— Разразившийся скандал будет ничуть не меньшц чем в случае со слишком многочисленными семьями.

Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. !2). Н. — Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени илн, вернее, чтобы сообразоваться с его общей оргааизацией.

Но если она «позаимствует» этого ребенка у ггужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка. Л. — Разумеется, н это движение ааимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой. Рис. 12. Здесь в крвсталлической решетке полупроводника имеется треквалентиый примесиый атоы, который стремится притянуть к себе электрон от соселнега атома. Рнс. 13.

В иолупроволиике типа р третвзлентный примесный ато» захватывает злектрои соседнего атома полупровалника, оставляя ОО .УО там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. л. На нашем рисунке показайы последовательвые фазы такой праводнмост», когда дырка, предгтавляюшая собой положительный заряд, перемещается от положительного полюса к отрицательному. В последней фазе электрой, поступивший из источника тока.