Радио и телевидение?.. Это очень просто!

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 удалось получать свободные электроны, выбивая их ударами фотонов с поверхности полупроводников, в частности кадмия. На этом принципе основаны фотоэлементы: полупроводниковые элементы помещают в вакуум, и высвобожденные электроны притягиваются с помощью положительного электрода (рис. 117). Эта конструкция, очевидно, напоминает тебе устройство диода.

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).