юный радиолюбитель (560767), страница 25
Текст из файла (страница 25)
К сказанному добавлю, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний. Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю ( — 273'С), они ведут себя по отношении» к электрическому току как изоляторы.
Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т.е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропровод- ность проводников не изменяется при действии на них света. Элекгропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышае гся. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический гок.
Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравни- тельно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно. Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по чет.ыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14.
Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ии при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Запомни: четыре! Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокрут всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 72,а.
Здесь большие шарики со знаком «+» условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики валепгные элек- троны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами.
Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двух»пекаренная, или вале»твоя, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь злекзронов: четыре своих и по одному от четырех соседних а~омов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой олпу болыпую молекулу.
Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 72,6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валеитные электроны. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКА При температуре, близкой к абсолютному нулях полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что а> Ю! Рис 72. Схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроволвика (а) и упрощен»ая схема его струкзуры (6) 76 Нопроеленое перемен(еноя электрокар Дырка к .
е + а! Дырка Р Нопроряеное перемеогеноя дырок о) Ряс. 73. Схема движения электронов и дырок в полупроводнике 77 в нем нет свободных электронов. Но при повышении температуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплово~о движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис.
72, б — черная точка), а там, гле он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межа- томной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 72,б — разорвавшаяся линия электрона). Чем вьппе гемпература полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе попупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положгпельного электрического заряда, равного отр1щательному заряду электрона.
А теперь рассмотри рис. 73. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику (на рис. 73 источник напряжения символизируют знаки «ч-» и « — »). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 73 оии обозначены точками со стрелками).
Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притят иваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушещлие из межатомных связей на некотором удалении от положительно~о полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрьпивают» в них (рис. 73,а), происходит заполнение некоторых межатомных связей. А ближние к отрицательному полн1су дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 73,б).
Пока в полупроволнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких-то других межатомных связей (рис. 73,б- г). Рассматривая эти схемы, ты, конечно, заметил: електроны движутся в направлении от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к озрицателъному.
Это явление можно сравнить с такой хорошо знакомой тебе картиной. Стоит пионерский отряд. Несколько ребят вышло из строя: образовались пустые места — дырки. Вожатый подает команду: «Сомкнуть стройЬ>. Ребята по очереди перемещаются вправо, заполняя пустые места.
Чго получается? Ребята один за другим перемегцаются к правому флангу, а пустые места — в сторону левого. При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже то~да, когда нег внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и ие уходят за пределы полупроводника В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной темперазуре опюсительно невелико.
Поэтому электропроводность такого полупроводника, называемая собсг«ве«- иой, мала. Иными словами, такой полупроводник окв.зывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, злектропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов злектропроводность полупроводника будет э»ектрииной или дырочной.
Чем различаются эти два вида электропроводности полупроводника? Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом-«пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, .гем больше в его массе окажется свободных электронов.
Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с электропроводностью типа и или, короче, полупроводниками и типа. Здесь латинская буква и — начальная буква латинского слова "пейайч" (негатив), что значит «отрицательный».
Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа и основными носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны. Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя 78 валентными электронами, например атомы индия. Каждый атом металла ицдия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым атомом у него не хватает одного электрона. Образуется дырка.
Она, конечно, может заполниться каким-либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком попупроводнике электроны могли перемещаться, совершенво обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
