Все мы давно уже привыкли к словосочетанию «полупроводниковые приборы» и знаем, что к ним, к примеру, относятся диоды и транзисторы. Мы даже где-то слышали, что в таких приборах есть какие-то «дырки» и электроны. Но мало кто представляет, что это за звери, как, куда, за счет чего они движутся, и как это движение используется на практике. В этом цикле статей мы разберемся с этим вопросом, и начнем с нуля – с полупроводниковых материалов, из которых делают те же диоды.
Полупроводники и их свойства
Полупроводники по своим электрическим свойствам занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Чем же они отличаются от своих проводящих и непроводящих собратьев? Прежде всего, электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры. При абсолютном нуле (-273 градуса по Цельсию) это вещество превращается в диэлектрик и начинает проводить ток только при повышении температуры. Металлы же, как мы помним, обладают прямо противоположным свойством. Далее, реакция на свет. Проводники никак на него не реагируют, полупроводники изменяют проводимость (эффект фотопроводности). Основными полупроводниками, используемыми в технике, являются кремний, германий, селен и некоторые другие.
На заметку. К группе полупроводников относится больше элементов периодической таблицы, чем к группам проводников и диэлектриков вместе взятых.
Что происходит внутри?
Для выяснения процессов, происходящих в веществе, можно взять любой полупроводниковый материал – суть процессов в них одна и та же. Мы же для примера возьмем кремний и германий, как самые используемые исходные материалы для создания современных полупроводниковых приборов.
Атом кремния имеет в своем составе 14 электронов, а германий – 32. Но и у того, и у другого только по 4 электрона, находящихся на внешнем слое, являются валентными и могут покидать свои орбиты. Остальные 10 и 28 соответственно, расположенные на внутренних орбитах, прочно удерживаются ядрами. Атом же, потерявший хотя бы один электрон, как мы помним из школьного курса, становится положительным ионом.
Идем дальше. В полупроводниковом веществе атомы расположены в строгом порядке и образуют кристаллическую структуру. Они группируются по 4 и находятся настолько близко друг к другу, что их валентные электроны двигаются по общим орбитам, проходящим вокруг соседних атомов, связывая их в единый кристалл. Это хорошо иллюстрирует рисунок, приведенный ниже.
На рисунке ядра с электронами на внутренних орбитах обозначены кружками со знаком «+», черные точки – электроны внешних орбит. Мы видим, что вокруг каждого ядра движется по 8 электронов – четыре собственных и четыре, заимствованных у «соседей». Таким образом, два любых соседних атома связаны между собой двумя электронами – «своим» и «чужим». Такая связь называется двухэлектронной или валентной.
Важно! При подобной связи всю массу, образующую кристалл, можно считать одной большой молекулой.
Со строением полупроводниковых веществ мы разобрались. В следующей же части цикла мы выясним, как подобная структура влияет на их электропроводность.