БЕСЕДА ВТОРАЯ

Примеси, содержащиеся в полупроводниках даже в ничтожных количествах, резко изменяют электрические свойства этих материалов. Двое наших друзей изучают здесь, что происходит, когда чужеродные атомы нарушают правильную структуру кристаллической решетки.

Содержание: Собственная проводимость. Фотосопротивления и фотоэлементы. Примеси. Доноры. Дырки. Акцепторы. Полупроводники типов p и n. Переход. Потенциальный барьер. Прямое и обратное напряжения. Напряжение пробоя. Диод. Выпрямление тока полупроводниками.

ПЕРЕХОДЫ

Спокойная семейная жизнь атомов

Незиайкии. — Я много думал о твоих кристаллических решетках и даже пошел во Дворец открытий посмотреть модели, изображающие структуру различных кристаллов. Эти модели очень красивы: разноцветные маленькие шарики, изображающие атомы, соединены металлическими трубочками, представляющими валентные связи.

Любознайкин. — Поздравляю, что ты с такой пользой провел свой досуг. А к чему же привели твои размышления?

Н. — К идее, что кристалл германия похож на большое количество семей, каждая из которых имеет по четыре ребенка, а каждый ребенок одной семьи женат на ребенке одной из четырех соседних семей. Таким образом, по супружеским связям каждая из семей породнилась с четырьмя другими (рис. 9).

Рис. 9. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде этой схемы, хотя в действительности межатомные связи расположены не в одной плоскости, а в пространстве.

Л. — Ты нарисовал совсем неплохую картину, она даже поможет объяснить тебе дальнейшее. Действительно, в описанном тобой исключительно уравновешенном обществе нельзя ожидать больших потрясений, если все пары будут сохранять безупречную верность. И в нашем кристалле германия все электроны должны оставаться крепко привязанными к своим атомам прочными валентными связями.

Н. — Но что ты сделаешь с человеческими страстями?

О нескольких разводах

Л. — Ты, как я вижу, прочитал какой-нибудь сентиментальный роман... Ну, ладно. Точно так же, как людьми движут страсти, атомы подвержены тепловому воздействию, которому время от времени удается вырвать из той или иной связи электрон и освободить его. А ты знаешь, что когда электроны свободны...

Н. — ...тело становится проводником тока. Много ли свободных электронов в германии при нормальной температуре?

Л. — Нет, очень мало. Едва ли два электрона на 10 миллиардов (т. е. на ) атомов. Это примерно такое соотношение, как если бы на удвоенное население земного шара был только один свободный человек.

Н. — Какая ужасная картина! Но если это так, то германий должен быть очень плохим проводником?

Л. — Да, и именно по этой причине его назвали полупроводником. Заметь, однако, что в одном грамме германия имеется десять тысяч миллиардов миллиардов (или ) атомов, так что в нем содержится около двух тысяч миллиардов (или ) свободных электронов. Это лучше, чем ничего... и такого количества достаточно, чтобы пропускать небольшой ток.

Н. — Ты говоришь мне о миллиардах миллиардов электронов и утверждаешь, что ток небольшой!

Л. — Значит, ты, Незнайкин, забыл, что плотность тока в один ампер соответствует прохождению шести миллиардов миллиардов (или ) электронов в секунду. Ты, конечно, поймешь, что наши несколько жалких тысяч миллиардов свободных электронов, разбросанных в колоссальной кристаллической решетке германия, могут создать только небольшую проводимость. Последняя обязана своим существованием тепловому движению и (обрати на это внимание) носит название собственной проводимости.

Н. — Одним словом, дело обстоит так, как если бы в нашем образцово организованном обществе изредка случались разводы и повторные браки, определяющие переходы из одной семьи в другую.

Л. — Это тоже правильно. А чтобы лучше использовать твое сравнение, скажем, что иногда там может, как пишут в романах, дуть «знойный ветер страстей», вызывающий большие потрясения.

Н. — Я догадываюсь, что ты хочешь сказать. Если повышать температуру кристалла германия, то тепловое движение, становясь быстрее, высвобождает большее количество электронов. Собственная проводимость в этом случае повышается. В отличие от того, что имеет место в проводниках, сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается.

Л. — Ты хорошо рассудил, Незнайкин! Именно поэтому германий плохо работает при повышенных температурах. Нас в германии интересует не его собственная проводимость, потому что не ее используют в транзисторах. Кремний лучше выдерживает повышение температуры, так как его валентные электроны, находящиеся на третьей оболочке, крепче связаны с ядром, чем валентные электроны германия, находящиеся на четвертой оболочке. Я добавлю, что можно также высвобождать электроны, воздействуя на атомы полупроводника не тепловой, а световой энергией.

Н. — Не хочешь ли ты сказать, что фотоны, эти зернышки света, бомбардируя атомы германия, вырывают из них электроны?

Л. — Да, и это свойство позволяет делать из германия фотосопротивления, т. е. устройства, сопротивление которых изменяется под воздействием освещения. В наиболее старом из известных фотоэлементов используется селен, который также является полупроводником.

Н. — Впрочем, я пользуюсь фотоэкспонометром, в котором установлен такой элемент...

Л. — Фотоэлемент в твоем экспонометре, очевидно, сделан не из селена, который по своей природе является фотосопротивлением, а, возможно, из кадмия или кремния. Эти вещества позволяют создавать генерирующие фотоэлементы, т. е. устройства, преобразующие световую энергию в электрический ток.

Н. — Не такие ли элементы, освещаемые солнцем, питают электрическим током космические станции?

Скандал многочисленных семей

Л. — Да, Незнайкин. А теперь мы станем свидетелями смуты в нашем так хорошо организованном обществе, введя в него семью с пятью детьми.

Н. — Что ты хочешь этим сказать?

Л. — Что среди атомов даже самого чистого германия содержатся в самых малых количествах атомы других элементов, именуемых примесями.

В самом чистом германии на миллиард атомов имеется один атом примеси.

Н. — Стоит ли обращать внимание на такую малость? Ведь это все равно, что их вообще нет,

Л. — Ты неправ, когда пренебрегаешь этими примесями, потому что даже при такой ничтожной пропорции в одном кубическом сантиметре германия, который называют чистым, содержится пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных или, как их называют, примесных атомов.

Н. - Я не подумал, что этот кубический сантиметр содержит тысячи миллиардов атомов... Но что делает семья с пятью детьми? Ты хочешь сказать, что речь идет об атоме с пятью электронами на внешней оболочке?

Л. — Совершенно верно. Один пятивалентный атом, например атом мышьяка или сурьмы, проник в благородное общество атомов германия (рис. 10)... и скандал разразился!

Рис. 10. Пятивалентный примесный атом нарушил безукоризненный порядок кристаллической решетки. Что станет с пятым электроном этого атома?

Рис. 11. Проводимость в полупроводнике типа п. Свободные электроны (помечены знаком минус) отрываются от пятивалентных атомов, которые из-за этого становятся положительными ионами (помечены знаком плюс).

Н. — Очевидно, потому, что если удастся переженить четырех детей этой странной семьи с детьми четырех соседних семей, то пятый остается безнадежным холостяком?

Л. — Да, Незнайкин, четыре электрона образуют валентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки, а пятый электрон остается свободным.

Н. — Если я правильно понимаю, то, прилагая напряжение между двумя точками кристалла, можно создать там ток, ибо свободные электроны, появившиеся благодаря пятивалентным элементам, будут притягиваться положительным полюсом, а отрицательный полюс источника тока одновременно выпустит в кристалл такое же количество электронов (рис. 11).

Л. — Да, такое явление происходит в полупроводнике, содержащем пятивалентные примеси, т. е. примеси с избытком электронов. Говорят, что это полупроводник типа n (от слова negative — отрицательный). А такие примеси часто называются донорами, так как он к дают свободные электроны.

Н. — Каково обычное содержание примесей?

Л. — Максимум один атом на десять миллионов атомов германия, т. е. такая же пропорция, как четыре человека на все население Франции.

Н. — Да, однако в этом случае мы получим примесей в сто раз больше, чем их содержится в самом чистом германии Но что станет с атомом примеси, например, мышьяка, у которого оторвался свободный электрон? По-моему, он перестанет быть нейтральным и, имея теперь электронов меньше, чем протонов, станет положительным.

Л. — О, да. Как бы ни казался парадоксальным этот факт, а в германии типа n атомы примеси оказываются ионизированными положительно.

Истории с похищением детей

Н. — А что случится с нашим кристаллическим обществом, если одна из семей будет иметь лишь трех детей, иначе говоря, если в кристалл полупроводника ввести атомы, имеющие на внешней оболочке только три электрона.

Л. — Разразившийся скандал будет ничуть не меньше, чем в случае со слишком многочисленными семьями. Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. 12).

Н. — Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.

Л. — Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.

Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентиый примесный атом, который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома.

Рис. 13. В полупроводнике типа p трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.

На нашем рисунке показаны последовательные фазы такой проводимости, когда дырка, представляющая собой положительный заряд, перемещается от положительного полюса к отрицательному. В последней фазе электрон, поступивший из источника тока, заполняет ближайшую к отрицательному полюсу дырку, одновременно другой электрон покидает ближайший к положительному полюсу атом, на его месте возникает новая "дырка", и все начинается сначала!..

Н. — Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.

Л. — Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13). Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.