Введение в электронику

Рис. 19-3. Кристаллическая структура кремния с ковалентными связями.

Ковалентная связь — это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый атом в такой кристаллической структуре имеет четыре своих собственных электрона и четыре совместно используемых электрона от четырех других атомов, а всего — восемь валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя, как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводниковым материалам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в два раза при каждом повышении температуры на б градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет четыре электрона на валентной оболочке и может образовывать кристаллическую структуру. Сопротивление германия падает в два раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия. Таким образом, германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в тысячу раз большее сопротивление, чем германий.

Тепло при работе с полупроводниками является потенциальным источником трудностей, который нелегко поддается контролю. Правильный расчет цепи минимизирует влияние изменений температуры. Высокое сопротивление — вот что дает преимущество кремнию перед германием в большинстве цепей. В тех цепях, где температурный коэффициент сопротивления германия имеет преимущество, используется германий.

Все первые транзисторы были сделаны из германия. Кремниевых транзисторов не было до 1954 года. В настоящее время в большинстве случаев используются кремниевые полупроводниковые приборы.

19-1. Вопросы

Электрическая активность полупроводниковых материалов сильно зависит от температуры. При крайне низких температурах валентные электроны сильно связаны с атомами ковалентными связями. Поскольку эти валентные электроны не способны дрейфовать, материал не может проводить электрический ток. Кристаллы германия и кремния при низких температурах являются изоляторами.

При повышении температуры валентные электроны приобретают дополнительную энергию. Некоторые электроны разрывают ковалентные связи и хаотично дрейфуют от атома к атому. Эти свободные электроны в состоянии поддерживать небольшой электрический ток, если приложено напряжение. При комнатной температуре тепловой энергии достаточно для того, чтобы создать небольшое количество свободных электронов и поддержать небольшой ток.

При увеличении температуры материал начинает приобретать характеристики проводника. Но только при очень высоких температурах кремний проводит ток, как обычный проводник. Обычно, при нормальных условиях эксплуатации такие высокие температуры не встречаются.

Когда электрон разрывает ковалентную связь и уходит от атома, пространство, которое он занимал прежде, называют дыркой (рис. 19-4).

Рис. 19-4. Дырка образуется, когда электрон разрывает свою ковалентную связь.

Как отмечалось в главе 2, дырка — это просто отсутствие электрона. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, его отсутствие представляет собой потерю отрицательного заряда, и, следовательно, дырка может считаться положительно заряженной частицей. Если электрон перемещается от одной валентной оболочки к другой, он оставляет за собой дырку. Если это движение непрерывно, то дырка движется в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Каждый электрон и соответствующая ему дырка называются электронно-дырочной порой. Количество электронно-дырочных пар увеличивается при увеличении температуры. При комнатной температуре существует небольшое количество электронно-дырочных пар.

Когда к чистому полупроводниковому материалу приложено напряжение, свободные электроны притягиваются к положительному выводу источника тока (рис. 19-5).

Рис. 19-5. Ток в чисто полупроводниковом материале.

Дырки, созданные движением свободных электронов, дрейфуют по направлению к отрицательному выводу. Сколько электронов втекает в положительный вывод, столько же электронов покидает отрицательный вывод источника. После рекомбинации электроны и дырки перестают существовать.

Короче говоря, дырки постоянно дрейфуют по направлению к отрицательному выводу источника тока. Электроны всегда движутся по направлению к положительному выводу. Ток, текущий через полупроводник, состоит из движения и электронов, и дырок. Величина тока определяется количеством электронно-дырочных пар в материале. Способность поддерживать ток увеличивается при увеличении температуры материала.

19-2. Вопросы

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существовало бы.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется процесс, называемый легированием.

Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал. Используются два типа примесей. Первая, которая называется пятивалентной, состоит из атомов с пятью валентными электронами. Примерами являются мышьяк и сурьма. Вторая, называемая трехвалентной, состоит из атомов с тремя валентными электронами. Примерами являются индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 19-6). Атом мышьяка размещает четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным.