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

«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.