Введение в электронику

Гейтс Эрл Д.

• Легко повреждаются (при превышении допустимых пределов по току или напряжению, при перемене полярности питающего напряжения, от перегрева при пайке).

19-1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВОЙСТВА ГЕРМАНИЯ И КРЕМНИЯ

Проводимость полупроводниковых материалов лежит между проводимостью изоляторов и проводников. Чистыми полупроводниковыми элементами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Наиболее подходят для применения в электронике германий и кремний.

Германий — это хрупкий серовато-белый элемент, открытый

в 1886 году. Порошкообразную двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля. Из этого порошка получают твердый чистый германий.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде белого или иногда бесцветного соединения — двуокиси кремния. Двуокисью кремния богат песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Полупроводниковый материал после получения должен быть модифицирован, чтобы он приобрел качества, необходимые для полупроводниковых устройств.

Как описано в главе 1, в центре атома находится ядро, которое содержит протоны и нейтроны. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны заряда не имеют. Электроны движутся по орбитам вокруг ядра и имеют отрицательный заряд. На рис. 19-1 показана структура атома кремния.

Рис. 19-1. Атомная структура кремния.

Первая орбита содержит два электрона, вторая орбита восемь, а внешняя орбита или валентная оболочка содержит четыре электрона. Валентность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома. На рис. 19-2 показана упрощенная схема атома кремния, на которой изображено только четыре электрона на валентной оболочке.

Рис. 19-2. Упрощенная схема атома кремния, па которой показаны только валентные электроны.

Материалы, которым необходимы электроны для заполнения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить электроны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется ковалентной связью (рис. 19-3).

Рис. 19-3. Кристаллическая структура кремния с ковалентными связями.

Ковалентная связь — это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый

атом в такой кристаллической структуре имеет четыре своих собственных электрона и четыре совместно используемых электрона от четырех других атомов, а всего — восемь валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя, как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводниковым материалам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в два раза при каждом повышении температуры на б градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет четыре электрона на валентной оболочке и может образовывать кристаллическую структуру. Сопротивление германия падает в два раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия. Таким образом, германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в тысячу раз большее сопротивление, чем германий.

Тепло при работе с полупроводниками является потенциальным источником трудностей, который нелегко поддается контролю. Правильный расчет цепи минимизирует влияние изменений температуры. Высокое сопротивление — вот что дает преимущество кремнию перед германием в большинстве цепей. В тех цепях, где температурный коэффициент сопротивления германия имеет преимущество, используется германий.

Все первые транзисторы были сделаны из германия. Кремниевых транзисторов не было до 1954 года. В настоящее время в большинстве случаев используются кремниевые полупроводниковые приборы.

19-1. Вопросы

1. Что такое полупроводниковый материал?

2. Дайте определения следующим терминам:

а. Ковалентная связь.

б. Отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

3. Почему кремний и германий считаются полупроводниковыми материалами?

4. Почему кремний предпочтительней германия?

19-2. ПРОВОДИМОСТЬ В ЧИСТОМ ГЕРМАНИИ И КРЕМНИИ

Электрическая активность полупроводниковых материалов сильно зависит от температуры. При крайне низких температурах валентные электроны сильно связаны с атомами ковалентными связями. Поскольку эти валентные электроны не способны дрейфовать, материал не может проводить электрический ток. Кристаллы германия и кремния при низких температурах являются изоляторами.

При повышении температуры валентные электроны приобретают дополнительную энергию. Некоторые электроны разрывают ковалентные связи и хаотично дрейфуют от атома к атому. Эти свободные электроны в состоянии поддерживать небольшой электрический ток, если приложено напряжение. При комнатной температуре тепловой энергии достаточно для того, чтобы создать небольшое количество свободных электронов и поддержать небольшой ток.