Рис. 9.Создавая объединенные орбиты, внешние электроны связывают атомы друг с другом.
Один из таких архитектурных шедевров - кристаллическая решетка алмаза, в которой каждый атом углерода отдает свои четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них - по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который отдается, и тот, который берется, становятся общими для того, кто дает, и для того, кто берет. Поэтому на внешней орбите атома оказывается восемь электронов (полностью заселенная орбита), и все они прочно связывают этот атом с его четырьмя соседями. Так и возникает красивая и исключительно прочная кристаллическая решетка алмаза - решетка алмазного типа.
Кроме углерода, есть еще несколько элементов с четырьмя электронами, а значит, и с четырьмя вакантными местами на внешней орбите. Два таких элемента - германий и кремний - интересуют нас больше всего. Оба они образуют кристаллическую решетку алмазного типа, оба по своим электрическим свойствам являются полупроводниками. Как это ни странно, но, продвинувшись уже довольно далеко на пути к полупроводниковому триоду, мы только сейчас получили возможность выяснить, что же такое полупроводник.
Уже говорилось, что электрическое сопротивление того или иного элемента электрической цепи, а значит, и вещества, из которого этот элемент сделан, зависит от количества свободных электрических зарядов в нем. Еще очень давно все вещества по их электрическим свойствам разделили на две группы: проводники (металлы, целый ряд растворов, газы в определенном состоянии) и изоляторы, или диэлектрики (стекло, резина, дерево и масса других веществ). Такое деление, разумеется, не отражает многих сложных процессов, с которыми связано появление свободных электрических зарядов. И все же, рассматривая атом в упрощенном виде, попытаемся выяснить, чем проводники отличаются от изоляторов.
Главная особенность всякого твердого проводника состоит в том, что у огромного числа его атомов электроны убежали (см. примечание на стр. 26) с внешних орбит и гуляют в межатомном пространстве. Обычно электроны легче всего срываются с внешней орбиты в том случае, когда их на этой орбите мало. У атомов таких прекрасных проводников, как медь и серебро, на внешней орбите всего по одному электрону, у цинка и ртути - по два, у атомов алюминия - три электрона.
Атомы изолятора, напротив, очень устойчивы. Электроны в них прочно связаны с ядром и своих орбит не покидают. Конечно, нет правил без исключения. Бывает, что и в изоляторе какой-нибудь электрон нарушит дисциплину и сорвется со своей орбиты. В разных изоляторах среднее число таких нарушений неодинаково - изоляторы бывают хорошими и плохими, а идеальных изоляторов вообще нет.
Выскакивание электронов из атома - это результат его тепловых колебаний. Чем выше температура, тем энергичнее колеблется атом на своем месте в кристаллической решетке, тем больше вероятность выскакивания его электронов с внешней орбиты. Лишь при температуре абсолютного нуля (-273,2 °C) тепловые колебания атомов полностью прекращаются, и в любом изоляторе, даже в самом плохом, вообще не оказывается свободных зарядов.
Для того чтобы не пользоваться такими расплывчатыми понятиями, как "хороший" и "плохой", можно организовать точный учет электронов, которые, срываясь со своих орбит, блуждают в межатомном пространстве изолятора.
Вырежем из проверяемого изоляционного материала кубик со стороной 1 см, подведем к нему напряжение в 1 в и будем измерять ток в созданной нами электрической цепи (рис. 10).
Рис. 10.Проводники, полупроводники и изоляторы в основном различаются количеством и подвижностью свободных электрических зарядов.
Если кубик сделан из идеального изолятора, в котором ни один электрон не покидает своей орбиты, то свободных зарядов в кубике не будет, а значит, не будет и тока в цепи. В цепи, куда включен реальный изолятор, ток обязательно появится, и чем хуже изоляционные свойства кубика, чем больше в нем электронов-нарушителей, тем больше этот ток.
Для начала включим в нашу испытательную цепь кубик из чистого каучука. Прибор покажет ток 1 пикоампер, то есть 0,000 000 000001 ампера. Легко подсчитать (нужно лишь вспомнить, что 1 а = 1 к/1 сек и 1 к = 6,3·10 зарядов электрона), что при таком токе через поперечное сечение каучукового кубика ежесекундно проходит около 6 300 000 свободных электронов. Пусть вас не пугает эта цифра - она не так уж велика. Если бы мы испытывали кубик из проводника, например, из серебра, то ток в цепи достиг бы 1000 000 ампер, и каждую секунду через поперечное сечение серебряного кубика проходило бы 6 300 000 000 000 000 000 000 000 свободных электронов. В сравнении с этой астрономической цифрой число свободных электронов в каучуковом кубике, конечно, очень мало, и его смело можно считать изолятором.
Согласитесь, что не очень удобно каждый раз подсчитывать число свободных электронов, двигающихся в кубике проверяемого материала. Во всяком случае, это не принято - вместо того чтобы считать заряды, обычно вычисляют электрическое сопротивление кубика. Сделать это довольно просто. Мы знаем напряжение U, подведенное к кубику (1 в), знаем ток I, который по нему проходит, а значит, можем по одной из формул закона Ома (рис. 10) подсчитать и сопротивление R. Полученную величину называют удельным сопротивлением, подобно тому как удельным весом называют вес одного кубического сантиметра вещества. Величина удельного сопротивления - она измеряется в омах на сантиметр (ом·см) - показывает, какое сопротивление имеет сделанный из того или иного материала кубик с ребром в 1 см.
Удельное сопротивление четко характеризует изоляционные свойства материала, дает представление о наличии в нем свободных зарядов и, в частности, о "свободолюбии" (см. примечание на стр. 26) входящих в атомы электронов. Чем меньше свободных зарядов в том или ином веществе, тем хуже оно проводит электрический ток, или, если говорить об этом другими словами, тем больше удельное сопротивление вещества.
В арсенале природы имеются вещества с самым различным значением удельного сопротивления - от миллиарда миллиардов ом до миллиардных долей ома.
Еще недавно их делили на две группы, и условная граница между ними проходила где-то в районе удельного сопротивления 0,01 -100 ом·см. Все вещества с большим сопротивлением относили к изоляторам, а с меньшим - к проводникам.
В дальнейшем оказалось удобным выделить в имеющемся "наборе" некоторую промежуточную группу веществ с удельным сопротивлением от 0,0001 ом-см до 10 000 000 ом·см. Эти вещества и получили название полупроводников, хотя с таким же успехом их можно было назвать полуизоляторами.
Удельное сопротивление германия составляет примерно 50 ом·см, кремния - 1000 000 ом·см. Обе эти цифры относятся лишь к химически чистым веществам: даже небольшие доли примесей могут менять удельное сопротивление германия и кремния во много тысяч раз. Чтобы понять, как происходит такое резкое изменение электрических свойств полупроводника, нам придется несколько дополнить свои представления о возникновении и передвижении свободных электрических зарядов. Для этого мы сейчас мысленно нарисуем две очень упрощенные картинки, которые хотя и несколько искажают действительность, но зато позволяют в простом виде представить себе очень сложный процесс.
Для начала попробуем представить себе электрический ток в полупроводнике как упорядоченное движение одних только свободных электронов. Выглядит оно примерно так.
Под действием электрического напряжения электроны сравнительно медленно движутся в межатомном пространстве, не переставая при этом совершать свои (см. примечание на стр. 26) беспорядочные рывки в разные стороны. Сами же атомы неподвижны, так как они прочно связаны друг с другом в кристаллической решетке. Дав свободу некоторым своим электронам, пустив их путешествовать в межатомное пространство, атомы утратили тем самым былое электрическое равновесие и превратились в положительные ионы.
Кроме длинных, безостановочных путешествий, свободные электроны, создающие ток, могут совершать и короткие перебежки. Выскочит такой слабенький (с небольшим запасом энергии) электрон из своего атома и тут же попадет на пустующее место в соседнем атоме. В результате свой собственный атом превратится в положительный ион, а положительный ион, давший приют электрону-беглецу, станет нейтральным атомом.
Представьте себе, что электрон перебежал из атома в атом очень быстро и вы даже не успели заметить, когда все это произошло. Как в этом случае воспримете вы происшедшее событие? Вы увидите, как в твердом полупроводнике сдвинулся с места положительный ион (рис. 11).