Техника - молодёжи 1952-04, страница 13

надлежат элементы кремний и германий.

В ионных и смешанных проводниках ионы движутся сквозь твердое вёщество, изменяя состав самого материала. Поэтому эти полупроводники для изготовления термисторов не применяются.

Что же происходит в полупроводниках? Почему их электрическая проводимость может гак значительно изменяться? Для ответа на этот вопрос обратимся к некоторым основным положениям теоретической физики.

АТОМЫ И КРИСТАЛЛЫ

Наждое твердое тело состоит из бесчисленного множества элементарный частиц материи — атомов. Электроны атомов, внутренние и наружные (валентные), в зависимости от их расположения имеют различную энергию.

Электроны в атоме расположены не беспорядочно. Каждому положению электрона в атоме соответствует определенная величина энергии - его энергетический уровень. Чем дальше находится электрон от ядра, тем выше его уровень и тем большую энергию он имеет. Согласно одному из основных принципов квантовой механики, в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми физическими параметрами. Это значит, что на любом из возможных энергетических уровней в атоме может находиться одновременно только вполне определенное число электронов. Возможные уровни отделены друг от друга запретными энергетическими промежутками, образовавшимися вследствие особого строения электромагнитного поля атома. Поэтому для перехода электрона с одного уровня на другой, более высокий, то-есть для его «возбуждения», ему необходимо сообщить некоторую энергию.

Электрический ток в проводниках - это поток «свободных» электронов.

Для полного высвобождения электрона из системы атома требуется еще более значительная энергия, чем для его «возбуждения». Валентные электроны освобождаются легче всего — они наиболее удалены от ядра и имеют самый высокий энергетический уровень. От количества свободных электронов зависит электрическая проводимость различных тел.

Разобрав энергетическое строение отдельного атома, перейдем к твердому телу в целом. Для этого достаточно остановить свое внимание на маленькой его частице — кристаллической ячейке. Кристалл - это система отдельных атомов, скрепленных между собой силами притяжения и расположенных в определенном порядке.

При образовании кристалла электроны остаются «верными» тому же основному принципу квантовой механики. Поэтому электроны, находившиеся в свободных атомах на одинаковых энергетических уровнях, в кристалле распределяются на ряд уровней, образующих так называемые энергетические зоны. Это распределение объясняется тем, что каждый атом взаимодействует со всеми остальными атомами кристалла. В каждой зоне теперь будет столько уровней, сколько атомов содержит кристаллическая клетка.

Понятием об энергетических зонах удобно пользоваться для объяснения различной электрической проводимости разных тел.

От взаимного расположения этих зон и зависит различная электрическая проводимость металлов, полупроводников и изоляторов.

Большая проводимость металлических проводников обусловлена тем, что они «содержат» большое число свободных электронов. При действии электрического поля электроны легко перемещаются и создают электрический ток.

Это объясняется тем, что металлический проводник образует две зоны, расположенные почти вплотную друг к другу.

Одна из этих зон имеет свободные вакантные уровни, на которые могут перескакивать электроны из другой, заполненной зоны. Заполненной эта зона называется потому, что при температуре абсолютного нуля все уровни ее заполнены электронами. Расстояние между зонами настолько мало, что этот переход возможен при тех небольших порциях энергии, которые сообщаются электронам слабым электрическим полем.

Рассмотрим теперь физическую природу электрической проводимости полупроводников. В полупроводниках электроны крепко связаны со своими атомами. Свободных электронов, проводящих ток, здесь очень мало — всего один электрон на 10³—М⁹ атомов!

Зона со свободными вакантными уровнями (зона проводимости) отделена от основной заполненной зоны более или менее широким «барьером» — областью запрещенных энергетических состояний. Через этот барьер электроны при низких температурах проникать не могут. Поэтому при таких температурах в зоне проводимости полупроводника электронов почти нет.

Подобно тому как автомобили на стоянке не могут сдвинуться с места, если они стоят вплотную друг к другу, так и электроны не могут в полупроводнике двинуться вдоль него, даже если к полупроводнику и приложить электрическое поле. Ведь каждый уровень основной зоны занят электроном. Ни один электрон не может получить «ускорения», так как в этом случае его энергия возросла бы до энергетического состояния, которое либо занято, либо запрещено. Лишь при возрастании • температуры некоторые электроны приобретают достаточное количество энергии, чтобы перескочить через запрещенный слой в зону проводимости. Переходя с помощью электрического поля в состояние с более высокими энергетическими уровнями, эти электроны становятся свободными и создают электрический ток. На месте каж-

При низких температурах в полупроводниках почти нет свободных электронов. Энергетические уровни в зоне проводимости пустуют, так как электронам нехватает энергии для того, чтобы перейти на эти уровни с уровней основной зоны.

С повышением температуры электроны полу-проводников переходят с энергетических уровней основной зоны в зону проводимости. Поток свободных электронов начинает расти — электропроводность полупроводника увеличивается. В основной зоне на освобождающиеся места переходят электроны с более низких энергетических уровней. Передвижение полостей, не заполненных электронами, эквивалентно перемещению частиц, заряженных положительно. Это так называемый «дырочный* ток.

Одни из атомов примесей захватывают электроны из основной зоны, другие — отдают электроны в зону проводимости. Все это способствует увеличению электропроводности полупроводников.

ЗОНА ПРОВОДИМОСТИ НОРМАЛЬНАЯ ЗОНА

проводи мост

АТОМЫ ПРИМЕСЕИ