Полупроводники и их свойства

Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радио­электроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы. Да, наступила эра полупроводниковой техники. И не только в радиоэлектронике.

Предком одного из наиболее характерных представителей «армии» современ­ных полупроводниковых приборов — транзистора — был так называемый генериру­ющий детектор, изобретенный еще в 1922 г. советским радиофизиком О. В. Ло­севым. Прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примыка­ющими к нему проволочками-проводниками, при определенных условиях мог гене­рировать и усиливать электрические колебания. Но он тогда из-за несовершен­ства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного транзистором, создали е 1948 г. американские ученые Браттэйн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, Л. Д. Лан­дау, Б. И. Давыдов, В. Е. Лашкарев и ряд других ученых и инженеров, многие научные коллективы.

Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полупровод­никовых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разобраться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где говорится о стро­ении атомов.

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают проме­жуточное место между проводниками и непроводниками тока. Причем 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? Электропровод­ность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (—273°С), они ведут себя как изоляторы. Большинство проводников, наоборот, при таких температурах становятся сверхпроводимыми, т. е. почти не оказывают току никакого со­противления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников умень­шается. Проводимость проводников не изменяется при действии на них света. Проводимость же полупроводников под действием света, так называемая фото­проводимость, улучшается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это свойство совершенно чуждо. Электропроводность полупроводников резко улучшается при введении в них атомов некоторых других элементов. Проводимость же проводников при введе­нии в них примесей ухудшается. Эти и некоторые другие свойства полупровод­ников были известны сравнительно давно, однако широко пользоваться ими стали совсем недавно.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре 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 ни 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 очень 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 вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое ве­щество.

Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно изобразить в виде плоской схемы, как показано на рис. 77. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями элек­тронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же ато­мами. Любой из атомов связан с каждым соседним атомом двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован от «соседа». Это двухэлектронная или валентная связь. Самая прочная связь!

В свою очередь внешний слой электронной оболочки каждого атома со­держит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. 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 одну большую молекулу.

Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упрос­тить^ изобразив ее так, как это сделано на рис. 78. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель