Радио и телевидение?.. Это очень просто!
Шрифт:
Проводники, диэлектрики и полупроводники
О микроэлектронике мы поговорим позднее. Сегодня же я хочу изложить тебе основы полупроводниковой электроники. Я надеюсь, Незнайкин, что ты ничего не забыл из моих объяснений о строении вещества. Я напомню тебе, что атом нейтрален, когда он имеет электронов столько же, сколько и протонов. Если количество электронов больше количества протонов, то он отрицательный. При обратном соотношении атом положительный.
Перемещаться могут лишь те электроны, которые находятся на внешней оболочке атома. Если эта оболочка в нормальных условиях содержит меньше
Когда электрон покидает нейтральный атом, последний ионизируется положительно. Если внешняя оболочка содержит более четырех электронов, то они упорно отказываются ее покинуть. Вещество, не располагающее свободными электронами, представляет собой диэлектрик.
Наконец, существуют такие вещества, как кремний или германий, атомы которых имеют на внешней оболочке по четыре электрона. Это и не проводники, и не диэлектрики; такие вещества называют полупроводниками. Это название хорошо оправдано удельным электрическим сопротивлением этих веществ. Я напомню тебе, что этот термин обозначает сопротивление кубика вещества с ребром длиной 1 см.
Удельное электрическое сопротивление проводников составляет (1 — 100)·10– 6 Ом. У полупроводников этот показатель находится в пределах от 0,01 до 1000 Ом, а у диэлектриков — от 10 до 106 МОм (удельное электрическое сопротивление кварца). Как видишь, полупроводники занимают место между проводниками и диэлектриками.
Собственная проводимость
На чем основана собственная проводимость полупроводников? Очень просто, на тепловом движении их атомов. Молекулы находятся в беспорядочном движении, которое по мере повышения температуры усиливается. Так, в германии при температуре окружающей среды + 22 °C под воздействием движения молекул освобождаются два электрона на один миллиард атомов. Это, разумеется, не очень много, но вспомни, что 1 мг германия содержит 1026 атомов. Это означает, что в этом количестве содержится два миллиарда свободных электронов, создающих очень слабый ток, имеющий величину 10– 9 А. С повышением температуры полупроводника этот ток усиливается. Этого, однако, следует избегать, потому что, как сейчас увидим, в полупроводниковых приборах используется не собственная проводимость, создаваемая тепловым движением. И в этом кроется причина более частого использования кремния, который менее германия чувствителен к повышению температуры: удельное электрическое сопротивление кремния изменяется значительно меньше, чем у германия.
Фотоэлектричество
Можно также повысить проводимость полупроводников, подвергая их атомы воздействию фотонов. Что такое фотон? Это частица света. По теории Луи де Бройля, световые лучи состоят одновременно из этих частиц и электромагнитных волн. Направь свет на пластинку селена и ты увидишь, что удельное электрическое сопротивление этого полупроводника снизится. Происходит это потому, что фотоны, сталкиваясь с атомами, вырывают периферийные электроны и делают их свободными, что вызывает движение электрического тока.
Так устроены фоторезисторы, служащие для преобразования световых колебаний в электрические сигналы. На их основе были созданы первые устройства для передачи изображений. Впоследствии
Рис. 117. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, состоящий из светочувствительного полупроводника р и электрода А, которому сообщен положительный потенциал.
Отрицательные полупроводники
Однако при использовании полупроводников главную роль играет не тепловое движение и не фотоэлектрический эффект, а наличие некоторых примесей. Очень малые количества инородных веществ, например 1 атом примеси на 10 миллионов собственных атомов полупроводников, полностью изменяют поведение последних.
Рассмотрим случай с пятивалентными примесями, т. е. состоящими из атомов, у которых на внешней оболочке имеется пять электронов. К этой группе, в частности, относятся мышьяк и сурьма. Вспомни кристаллическую структуру полупроводников, где каждый из четырех периферийных электронов устанавливает связь с соседними атомами. Наличие одного постороннего атома с пятью периферийными электронами разрушает безупречный порядок структуры (рис. 118). Четыре электрона вступают в валентные связи с соседними атомами.
Рис. 118. В кристаллической структуре, состоящей из атомов с четырьмя электронами, присутствует посторонний атом с пятью электронами.
А что станет делать пятый? Так вот, он становится свободным. Атом с таким электроном рассматривается как донор. А полупроводник считается типом n, т. е. отрицательным. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то положительный полюс притянет свободные электроны и через полупроводник потечет ток. При этом отрицательный полюс источника будет отдавать электроны.
Самый любопытный факт заключается в том, что в этом отрицательном полупроводнике атомы примеси становятся положительными. В самом деле, уход пятого периферийного электрона нарушает нейтралитет атома и делает его положительным. На месте этого электрона образуется дырка, которую может заполнить другой электрон.
Положительные полупроводники
Посмотрим теперь, что происходит при введении в полупроводник трехвалентных примесей, таких, как алюминий или галлий, атомы которых имеют на внешней оболочке три электрона. Такой атом, попав в кристаллическую решетку из атомов, имеющих по четыре периферийных электрона, устанавливает валентные связи с тремя соседними атомами. Но четвертый атом тоже хочет быть с ним в связи, чтобы сохранить нормальную структуру кристалла. Поэтому он всячески стремится направить к нему один из своих периферийных электронов. Теперь он становится положительным, так как отсутствие этого электрона образует дырку, пустоту. И он стремится заполнить ее, притягивая электрон от другого соседнего атома (рис. 119).