Транзисторы. Часть 2. Проводники, изоляторы и полупроводники

14.10.2024 Olga 0 Comments

В электротехнике используются различные материалы. Электрические свойства вещества определяются числом электронов на его внешних валентных орбиталях. Чем меньше электронов на этой орбите, тем слабее их связь с ядром и тем легче им двигаться.

Под воздействием колебаний температуры электроны отделяются от атомов и движутся в межатомном пространстве. Эти электроны называются свободными электронами, и именно они генерируют ток в проводнике. Большое ли пространство между атомами? Есть ли в веществе место для движения свободных электронов?

Структуры твердых тел и жидкостей кажутся непрерывными и плотными, структурно похожими на клубки ниток. Но на самом деле даже цельные больше похожи на рыболовные или волейбольные сети. Конечно, на бытовом уровне это не заметно, но точные научные исследования показывают, что расстояние между электронами и ядрами намного превышает их собственный размер.

Если бы размер ядра был выражен как мяч размером с футбольный мяч, то электроны в этой модели были бы размером с горошину, и каждая горошина находилась бы на расстоянии сотен или даже тысяч метров от «ядра». Между ядром и электронами нет ничего! Если представить расстояние между атомами материи в том же масштабе, то размеры просто ошеломляют – десятки, а то и сотни километров!

Металлы являются хорошими проводниками электричества. Например, атомы золота и серебра имеют на внешней орбите только один электрон, поэтому они являются лучшими проводниками. Железо также может проводить электричество, но немного хуже.

Еще хуже проводят электричество высокоомные сплавы. Это никель-хромовый сплав, марганцево-медный сплав, константан, фекрол и др. существует множество типов высокоомных сплавов, поскольку они предназначены для решения различных задач: нагревательные элементы, тензорезисторы, эталонные резисторы для измерительных приборов и т д.

Для оценки электропроводности материалов было введено понятие «проводимость». Его обратная величина – удельное сопротивление. В механике этим понятиям соответствует удельный вес.

В отличие от проводников, изоляторы не теряют электронов. В нем связь между электронами и ядром очень прочная и свободных электронов почти нет. Точнее, они есть, но очень мало. В то же время некоторые изоляторы имеют большое количество и соответственно плохое качество изоляции. Например, достаточно сравнить керамику и бумагу. Поэтому изоляторы можно разделить на хорошие и плохие изоляторы.

Даже в изоляторах появление свободных зарядов обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под действием высоких температур изоляционные свойства ухудшаются, часть электронов все же успевает вырваться из ядра.

Аналогично, удельное сопротивление идеального проводника равно нулю. Но такого руководства к счастью не существует: представьте себе закон Ома ((I = U/R)) со знаменателем, равным нулю. Прощайте, математика и электротехника.

И только при абсолютном нуле температуры (-273,2°С) тепловые колебания полностью прекращаются, самый плохой изолятор становится вполне хорошим. Чтобы численно определить, насколько «это» хорошо, они используют концепцию удельного сопротивления. Это сопротивление куба со стороной 1 см в Омах. Удельное сопротивление имеет размеры в Ом/см. Удельное сопротивление некоторых веществ показано ниже. Проводимость является обратной величиной удельного сопротивления, — единица измерения Сименс, — 1 См = 1/Ом.

К веществам с хорошей проводимостью или низким удельным сопротивлением относятся: серебро 1,5*10^(-6), произносится как (единица в отрицательной шестой степени десяти), медь 1,78*10^(-6) и алюминий 2,8*10^(- 6). Проводимость высокоомных сплавов сильно различается: константан 0,5*10^(-4), никель-хромовый сплав 1,1*10^(-4). Эти сплавы можно назвать плохими проводниками. После всех этих множественных чисел следует заменить Ом/см.

Дополнительно полупроводники можно разделить на отдельные группы: германий 60 Ом/см, кремний 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Удельное сопротивление этой группы больше, чем у плохого проводника, но меньше, чем у плохого изолятора, не говоря уже о хорошем изоляторе. Пожалуй, с таким же успехом полупроводники можно было бы назвать полуизоляторами.

Имея столь краткое представление о строении и свойствах атомов, нам следует рассмотреть, как атомы взаимодействуют друг с другом, как атомы взаимодействуют друг с другом, как из молекул получаются молекулы и из чего состоят различные вещества. Для этого мы должны снова вспомнить об электронах на внешних орбитах атома. Ведь именно они участвуют в соединении атомов в молекулы и определении физических и химических свойств материи.

Как молекулы состоят из атомов

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится отобрать электроны у соседних атомов, но и не отдает собственных электронов. Чтобы убедиться в справедливости этого, достаточно взглянуть на благородные газы в таблице Менделеева: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый газ имеет на своей внешней орбите 8 электронов, что объясняет нежелание этих газов иметь что-либо общее с другими атомами (химические реакции) или образовывать химические молекулы.

Совершенно иная ситуация обстоит с атомами, у которых нет заветных восьми электронов на внешних орбитах. Эти атомы предпочитают объединяться с другими атомами, чтобы пополнить свои внешние орбитали до 8 электронами и достичь спокойного, стабильного состояния.

Например, вот всем известная молекула воды H2O. Он состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рисунке 1 .

Читайте также статью: Как вырастить мандариновое дерево в домашних условиях

Рисунок 1. Как создаются молекулы воды.

Вверху диаграммы показаны соответственно два атома водорода и один атом кислорода. У кислорода на внешней орбите 6 электронов, а у двух соседних атомов водорода — по 2 электрона. Кислороду не хватает всего двух электронов на внешней орбите, чтобы достичь заветного числа 8, которого он достигает, присоединяя к себе два атома водорода.

Каждому атому водорода для полного счастья не хватает семи электронов на внешней орбите. Первый атом водорода получает на свою внешнюю орбиту 6 электронов от атома кислорода и один дополнительный электрон от своего атома-близнеца (второго атома водорода). Теперь у него 8 электронов, и эти электроны находятся на внешней орбите. Второй атом водорода также завершает свою внешнюю орбиту, достигая заветной восьмерки. Этот процесс показан в нижней части рисунка 1 .

На рисунке 2 показан процесс объединения атомов натрия и хлора. В результате получается хлорид натрия, который продается в магазинах как поваренная соль.

Рисунок 2. Процесс объединения атомов натрия и атомов хлора

Здесь каждый игрок также получает недостающее количество электронов от другого: хлор добавляет один электрон натрия к своим семи, отдавая при этом свой электрон атому натрия. Оба атома имеют по 8 электронов на внешних орбитах, что обеспечивает полное согласие и хорошее состояние.

валентность

Атомы с 6 или 7 электронами на внешних орбитах обычно имеют 1 или 2 присоединенных электрона. Эти атомы считаются одновалентными или двухвалентными. Но если атом имеет 1, 2 или 3 электрона на внешней орбите, атом будет стремиться их высвободить. В этом случае атом считается одновалентным, двухвалентным или трехвалентным.

Если внешняя орбита атома содержит 4 электрона, то этот атом предпочитает соединяться с атомом, у которого также есть 4 электрона. Вот как атомы германия и кремния объединяются в транзисторы. В этом случае атом называют четырехвалентным. (Атомы германия или кремния также могут соединяться с другими элементами, например с кислородом или водородом, но для нашего рассказа эти соединения не представляют интереса.)

На рисунке 3 показан атом германия или кремния, который вы хотите объединить с аналогичными атомами. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружочки указывают, куда упадут электроны от четырех соседних атомов.

Рисунок 3. Атомы германия (кремния).

полупроводниковая кристаллическая структура

Атомы германия и кремния в таблице Менделеева принадлежат к той же группе, что и углерод (химическая формула алмаза — C, то есть просто крупные кристаллы углерода, образующиеся при определенных условиях), и поэтому, соединяясь, образуют алмазоподобную кристаллическую структуру. Разумеется, формирование этой структуры в упрощенном виде показано на рисунке 4 .

В центре куба находится атом германия и еще 4 атома по углам. Атом, изображенный в центре куба, связан со своим ближайшим соседом своими валентными электронами. В свою очередь, угловые атомы отдают свои валентные электроны атому в центре куба и его соседям (атомы на рисунке не показаны). Таким образом, на внешней орбите завершаются восемь электронов. Конечно, куба в решетке не существует, он просто показан на схеме так, чтобы было хорошо видно относительное объемное расположение атомов.

Но чтобы максимально упростить рассказ о полупроводниках, решетку можно изобразить в виде планарной схемы, хотя межатомные связи все равно находятся в пространстве. На рисунке 5 показана такая диаграмма .

Видео: Физика 10 класс (Урок№33 — Электрический ток в полупроводниках.)

Рисунок 5. Решетка германия в плоском виде.

В таком кристалле все электроны прочно связаны с атомами посредством валентных связей, поэтому свободных электронов здесь явно нет. Получается, что то, что мы видим на картинке, является изолятором, потому что в нем нет свободных электронов. Но на самом деле это не так.

самопроводимость

Дело в том, что под воздействием температуры некоторые электроны все же успевают вырваться из атома и на некоторое время потерять связь с ядром. Следовательно, в кристалле германия имеется небольшое количество свободных электронов и поэтому он может проводить электрический ток. Сколько свободных электронов в кристалле германия при нормальных условиях?

Таких свободных электронов на 10^10 (десять миллиардов) атомов приходится не более двух, поэтому германий — плохой проводник, или, как его еще называют, полупроводник. Стоит отметить, что всего в одном грамме германия содержится 10^22 (один триллион) атомов, что позволяет «добыть» около 200 миллиардов свободных электронов. Кажется, этого достаточно, чтобы пропустить большой ток. Чтобы разобраться в этой проблеме, достаточно вспомнить, что такое ток 1А.

Ток 1 А соответствует заряду в 1 кулон, проходящему через проводник за одну секунду, или 6*10^18 (шести миллиардов) электронов в секунду. В этом контексте двумстам миллиардам свободных электронов, даже рассеянных в огромном кристалле, сложно обеспечить прохождение большого тока. Хотя в германии имеется небольшая электропроводность из-за теплового движения. Это называется собственной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость

При повышении температуры электронам передается дополнительная энергия, а их тепловые колебания становятся более активными, поэтому некоторым электронам удается оторваться от своих атомов. Эти электроны становятся свободными, совершают хаотическое движение и движутся в свободном пространстве без внешнего электрического поля.

Атом, потерявший электрон, не может двигаться хаотично, а может лишь слегка колебаться относительно своего нормального положения в кристаллической решетке. Такие атомы, потерявшие электроны, называются положительными ионами. Можно предположить, что вместо оторванных от атомов электронов получается свободное пространство, часто называемое дырками.

Обычно количество электронов и дырок одинаково, поэтому дырки могут захватывать электроны, оказавшиеся поблизости. В результате атомы снова превращаются из положительных ионов в нейтральные. Процесс объединения электронов и дырок называется рекомбинацией.

Отделение электронов от атомов происходит с одинаковой частотой, поэтому в среднем число электронов и дырок в данном полупроводнике равно, величина постоянная и зависит от внешних условий, главным образом температуры.

Если к полупроводниковому кристаллу приложить напряжение, движение электронов становится упорядоченным, и через кристалл течет ток за счет его проводимости электронов и дырок. Эта проводимость называется собственной проводимостью и упоминалась выше.

но чистые полупроводники с их электронной и дырочной проводимостью не подходят для изготовления диодов, транзисторов и других компонентов, поскольку основой этих устройств является pn-переход.

для получения такого преобразования необходимы два типа полупроводников, два типа проводимости (р – положительный – положительный, дырки) и (н – отрицательный – отрицательный, электроны). Эти типы полупроводников изготавливаются путем легирования, добавления примесей в чистые кристаллы германия или кремния.

Хотя количество примесей очень мало, их наличие существенно меняет свойства полупроводника, позволяя получать полупроводники с различной проводимостью. Об этом речь пойдет в следующей части статьи.