Полупроводники и их свойства

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

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.

Рис. 77. Плоскостная схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроводника.
Рис. 78. Упрощенная схема структуры полупроводника.

Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 73. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.