Что такое полупроводник
Шрифт:
Располагаются электроны атома в строгом порядке. Они движутся по замкнутым путям-орбитам, которые образуют несколько оболочек, охватывающих ядро.
Чем ближе электронная оболочка к ядру, тем крепче связаны с ним ее электроны. Чтобы выбить электрон с внутренней оболочки, нужен сильный толчок — большая энергия. Легче оторвать электроны, «обитающие» на последующих оболочках.
Электроны самой верхней, внешней, оболочки играют важнейшую роль. Они связывают атомы в кристаллическую структуру, соединяют их в молекулы. Химические процессы, электрическое состояние тел и многое другое определяются поведением электронов внешних атомных
Как же ведут себя внешние электроны в различных веществах?
ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛЕ И ИЗОЛЯТОРЕ
Внешние электроны не удерживаются в атомах медной проволочки: слишком слабо они связаны с ядрами «своих» атомов. Атомы все время беспорядочно перемещаются и как бы стряхивают с себя внешние электроны. Эти «оторвавшиеся» электроны блуждают по кусочку металла, участвуя в общем беспорядочном тепловом движении, которое тем активнее, чем выше температура проволочки.
В мире электронов незаметно тяготение Земли. Объясняется это просто: слишком легки такие частицы и слишком {10} быстро они движутся. Зато электроны послушны другой силе — электрической. Как камень падает вниз, притягиваемый Землей, так электроны, наделенные довольно значительным для такой легкой частички зарядом, меняют движение под действием электрического поля, которое создается в пространстве любым заряженным телом.
Прижмем концы проволочки к полюсам электрической батарейки — металл тотчас пронизывается электрическим полем. Свободные электроны теперь не только участвуют в тепловом беспорядочном движении, но и перемещаются по проволочке к положительному полюсу батарейки, подхваченные полем. На место, освобожденное ушедшими электронами, поле выталкивает другие из отрицательного полюса батарейки. Они тоже уходят, уступая место новым и новым отрядам электронов: по проволочке побежал электрический ток.
Поток электронов в металле неспокойный. Ведь на их пути то и дело попадаются атомы, которые к тому же сами перемещаются, участвуя в тепловом движении. Поэтому при нагревании проволочки электронному потоку труднее становится пробиваться вперед. По мере повышения температуры сила тока уменьшается. В этом свойстве — важный признак электропроводности металла.
В металле многие электроны не связаны с каждым атомом в отдельности и беспорядочно блуждают между ними.
{11}
Кусочек металла соединен с полюсами электрической батарейки. Его пронизывает электрическое поле, которое подхватывает электроны и устремляет их к положительному полюсу.
В изоляторе внешние электроны прочно удерживаются
{12}
Заметим кстати: электрический ток и сам разогревает проволочку. Чем обильнее поток электронов, тем сильнее он расталкивает атомы, увеличивая энергию их теплового движения.
В изоляторе все обстоит проще. Резина, фарфор, стекло тоже, конечно, построены из атомов. Как и в металле, атомы там подвержены беспорядочному тепловому движению. Но электроны внешних оболочек надежно связаны с ядрами атомов изолятора. Там нет свободных электронов, а значит, нечему создать электрический ток.
Впрочем, если мы раскалим изолятор, он может потерять изолирующие свойства. Связи между атомами станут иными. Поэтому при сильном нагревании некоторые изоляторы превращаются в полупроводники. Каковы же особенности полупроводников?
ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО
Бросим медную проволочку в жаркую печь — с температурой в тысячу градусов. Проволочка только-только не расплавится, а на ее поверхности начнется активная реакция химического соединения металла с кислородом воздуха. Каждая пара атомов меди свяжется с одним атомом кислорода. Пройдет несколько минут, и проволочка покроется черным веществом, которое называется закисью меди. Соскоблим ее и отдадим в химическую лабораторию — попросим тщательнейшим образом очистить закись от примесей. И если химики аккуратно выполнят наше задание, мы получим от них кусочек идеально чистого, классического полупроводника.
Проведем с ним несколько опытов.
Проверим сначала, как он будет проводить электрический ток. {13}
Выяснится, что гораздо хуже меди. Это для нас не будет неожиданностью: поэтому он и носит название полупроводника.
Зато нам покажется странным результат другого эксперимента. Чем сильнее мы станем нагревать кристаллик закиси, тем лучше он будет проводить ток. В медной проволочке, как мы помним, наблюдалось прямо противоположное явление.
В чем же тут дело?
В полупроводнике внешние электроны принадлежат обычно сразу паре соседних атомов, осуществляя их связь в кристалле. Но связаны они с ядрами не слишком сильно. Поднимается температура — и увеличивается энергия беспорядочного теплового движения. В результате при нагревании нарушаются связи между атомами, все больше электронов обретает свободу, а заодно и способность переносить электрический ток.
Теперь как будто все стало понятно. Но если бы мы только из этих соображений составили математические уравнения и провели теоретический расчет электропроводности кристаллика закиси, нас постигло бы разочарование. Вычисленная электропроводность получилась бы почти вдвое меньше, чем действительная, наблюдающаяся на опыте.
Значит, какой-то стороны явления мы не учли.
Какой же?
Чтобы отыскать ответ, отправимся в экскурсию — в театр юного зрителя.
ПУСТОЙ СТУЛ
Сегодня идет отличная пьеса, и театральный зал полон. Но мы не будем смотреть на сцену. Обратим внимание на незначительное происшествие в зрительном зале. {14}
Мы сидим возле прохода и смотрим на другую его сторону. Все места с первого ряда до последнего заняты. Ребята с увлечением смотрят спектакль. Но вот в первом ряду с краю освободилось место. Сидевший на нем школьник почему-то ушел.