Александр Кульский - КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто!

«А»:Я тоже с удовольствием приму в ней участие!

«Н»:Нет вопросов! А когда начнем?…

«С»:А прямо со следующего раза!

КОНЕЦ ПЕРВОЙ ЧАСТИ

«Спец»:Итак, пора, мой друг, пора. Поговори о… полупроводниках. Потому что именно они лежат в основе большого количества таких непохожих ни внешне, ни по выполняемым функциям приборов.

«Аматор»:Ну, я же говорил Незнайкин о том, что полупроводники как бы занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами (диэлектриками) с точки зрения величины удельного сопротивления. И в то же время заметил, что в полупроводниках есть особенности, которые в свое время заставили исследователей сделать предположение об особом механизме проводимости. Этот механизм не характерен, например, для металлов…

«Спец»:Совершенно верно! Для таких, я бы сказал, основных видов полупроводников, как германий и кремний, характерным является существование регулярной кристаллической решетки (в том случае, когда мы говорим о монокристаллах), в которой определенное сочетание атомов повторяется в любом направлении. Это дает возможность рассматривать структуры т. н. элементарных ячеек кристаллической решетки. Для такой структуры характерно то, что каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, причем все они находятся друг от друга на одинаковых расстояниях или ЭКВИДИСТАНТНО. Соответственно ВСЕ четыре внешних электрона образуют и четыре ковалентные связи с четырьмя другими электронами, КАЖДЫЙ ИЗ КОТОРЫХ ПРИНАДЛЕЖИТ ОДНОМУ из ближайших эквидистантных атомов! Естественно, что атомы испытывают тепловое воздействие, в связи с чем некоторые ковалентные связи разрываются и один из электронов бывшей пары отправляется в путешествие по кристаллу.

«Незнайкин»:И часто такое происходит?

«Спец»:При комнатной температуре подобное нарушение ковалентной связи для германия, скажем, характерно таким соотношением: два электрона на 10 миллиардов атомов!

«Незнайкин»:И часто такое происходит?

«Спец»:При комнатной температуре подобное нарушение ковалентной связи для германия, скажем, характерно таким соотношением: два электрона на 10 миллиардов атомов!

«Незнайкин»:И такое соотношение заслуживает того, чтобы о нем упоминать?

«Спец»:Даже более того! Ведь поскольку в одном грамме того же германия содержится 10 в 22 степени атомов, это значит, что в любой момент при комнатной температуре в нем содержится около 2x10 в 12 степени свободных электронов!

«А»:А ведь это уже кое-что в смысле тока!

«С»:Да, конечно! Но примите во внимание тот факт, что я вам сейчас рассказал о причине СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТИ полупроводника.

Отметьте также, что я дважды подчеркнул, что это соотношение справедливо только при комнатной температуре! Поскольку повышение температуры повышает и собственную проводимость!

«Н»:А какая же еще проводимость может быть помимо собственной, вот чего я не могу понять?

«С»:Сейчас-сейчас! Во-первых, мы с самого начала несколько идеализировали картину. Поскольку жизнь (как наша, так и полупроводниковых кристаллов) проходит в реальном мире, то пусть в ничтожных количествах, но в самых чистых монокристаллах германия и кремния содержатся атомы примеси, то есть веществ, не являющихся ни германием и ни кремнием!

«А»:Я где-то читал, что количество примесных атомов в искусственно выращиваемых монокристаллах полупроводников исключительно невелико?!

«С»:Да, в германии, который употребляется в полупроводниковой технологии, количество примесных атомов должно быть не более одного на миллиард, а в кремнии еще меньше. Почти на два порядка.

«Н»:А зачем такая обалденная чистота?

«С»:Да по той причине, чтобы не оказывать существенное влияние на собственную проводимость! Поскольку самое интересное начинается тогда, когда в эти сверхчистые полупроводники искусственно добавляют или трехвалентные атомы индия, или пятивалентные атомы мышьяка. Давайте, к примеру, рассмотрим, что произойдет, если аккуратно внедрить в состав кристаллической решетки пятивалентный атом мышьяка (или сурьмы).

«Н»:Атом станет грязным!

«С»:Ничего подобного, Незнайкин! Пятый валентный электрон не сможет образовать ковалентную связь, поскольку создать ее будет не с кем! Вокруг «нормальные» атомы германия (или кремния). Этот пятый электрон, фактически, остается свободным. Достаточно малейшего воздействия, чтобы он начал свое путешествие по кристаллу.

«Н»:Но в этом случае получается, что в таком полупроводнике будет ИЗБЫТОК электронов!

«С»:Это действительно так. Принято называть такие полупроводники — полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). На всякий случай запомним, что пятивалентные примеси называются ДОНОРАМИ, поскольку они обеспечивают избыток свободных электронов!

«А»:Но в состав атома внедряют и трехвалентные атомы индия. И вот здесь я что-то не совсем понимаю ситуацию! Ведь в этом случае имеющиеся у индия ТРИ валентных электрона образуют связи с тремя из четырех эквидистантных атомов. В этом случае, как мне представляется, один из атомов германия (либо кремния) не сможет пристроить один из четырех электронов и этот четвертый электрон, в свою очередь, оторвавшись, сможет блуждать по кристаллу! А значит, и в этом случае проводимость должна быть n !?

«С»:Я понял твои сомнения, дорогой Аматор! Виноваты в них, прежде всего, плохие популяризаторы. Они, почему-то забывают указать один существенный нюанс. Действительно, «лишний электрон», как может по казаться, появляется у одного из атомов германия… Но Природа устроена очень интересно! Этот электрон не отправляется в путешествие по кристаллу! Он хитрым квантовым образом взаимодействует… с атомом индия. А поскольку образовать ковалентную связь с электронами индия, как мы уже говорили, он не может (все валентные электроны индия уже заняты), то возникает своего рода «ловушка», которая как бы «привязывает» этот «лишний» электрон. А в результате — в создании проводимости этот электрон не участвует!

«А»:Но атом германия (или кремния), «потерявший» таким образом один из своих электронов становится электроположительным?

«С»: Ну конечно! У него образуется незаполненная ковалентная связь, которая ВСЕГДА готова принять свободный электрон. И она его принимает… от соседнего атома германия (либо кремния)! Вот почему эту вакансию или брешь в физике полупроводников почетно именуют ДЫРКА! А теперь обратите внимание на рис. 11.1, который показывает фазы ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, когда к полупроводнику p -типа (positive — положительный) приложено напряжение.