Электроника в вопросах и ответах

На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, имеется определенная симметрия структуры: любой атом полупроводника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Аналогичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось, некоторые электроны могут при комнатной температуре переходить из валентной зоны в зону проводимости.

Рис. 1.7. Плоские модели (а и б) кристаллической решетки собственно полупроводника

Что такое несобственный полупроводник?

Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основном электропроводности, нарушена структура кристаллической решетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвижных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобственном полупроводнике эти токи не равны, поскольку не одинакова концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобственных (примесных) полупроводников: полупроводники типа n и типа р.

Что такое полупроводник типа n?

В полупроводнике типа n преобладает электронный ток. Нарушения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), примесей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего на внешней оболочке на один валентный электрон больше, чем германий и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один электрон, который может легко перейти в зону проводимости и участвовать в прохождении тока как донорный или неосновной носитель.

В кристаллической решетке сохраняется ион с положительным зарядом. Следует подчеркнуть, что этот положительный ион в полупроводнике типа n неподвижный, а следовательно, не участвует в протекании тока в отличие от дырок, возникающих при собственной проводимости. В зонной модели полупроводника типа n (рис. 1.8, б) введение донорной примеси вызывает возникновение дополнительного энергетического уровня между зоной проводимости и валентной зоной.

Рис. 1.8. Плоская (а) и зонная (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа n

Разность энергий между дополнительным уровнем и зоной проводимости настолько мала (для кремниевого полупроводника она составляет около 0,05 эВ), что электрон может легко перейти с этого дополнительного уровня в зону проводимости. Положительный ион, образовавшийся при отрыве электрона от атома примеси, остается фиксированным. Очевидно, что в полупроводнике типа n имеются также дырки, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем электронов, возникающих в основном за счет введения примеси. Дырки, существующие в полупроводнике типа n, называются неосновными, а электроны — основными носителями.

Что такое полупроводник типа р?

В полупроводнике типа р в качестве примесей — акцепторов используются атомы элементов, имеющие на внешней оболочке на один электрон меньше, чем кремний и германий, например индий. В кристаллической решетке (рис. 1.9, а) вблизи такого атома в одном из узлов отсутствует одни электрон и возникает дырка, которая заполняется электроном соседнего атома. В результате атом становится неподвижным отрицательным ионом, а дырка может перемещаться далее. Таким образом, в полупроводнике типа р носителями являются подвижные дырки, в то время как отрицательные ионы не принимают участия в прохождении тока.

В зонной модели полупроводника типа р (рис. 1.9, б) введение акцепторной примеси вызывает появление дополнительного энергетического уровня вблизи валентной зоны. Отрицательные ионы остаются неподвижными в узлах решетки.

Рис. 1.9. Плоская (а) и зоновая (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа р

Для полупроводника типа р характерна проводимость на основе движения дырок как основных носителей в валентной зоне. Очевидно, что в полупроводнике типа р имеются также электроны, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем дырок, образующихся за счет введения примесей. Существующие в полупроводнике типа р электроны называются неосновными, а дырки — основными носителями заряда.

Что такое термоэлектронная эмиссия?

Это эмиссия электронов из твердого (металл, полупроводник) либо жидкого тела (ртуть), вызванная нагревом его до высокой, температуры, которая сообщает электронам энергию, необходимую для того, чтобы они могли покинуть тело и перейти в окружающее пространство — вакуум или газ.

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах для получения электронов, создающих электрический ток между электродами лампы.

Что такое фотоэмиссия и фотопроводимость?

Это так называемые фотоэлектрические эффекты: внешний (фотоэмиссия) и внутренний (фотопроводимость). Фотоэмиссия — эмиссия электронов из твердого тела (металла, полупроводника) под воздействием энергии излучения, например видимого света или инфракрасного излучения. Число эмиттированных электронов зависит от интенсивности излучения.

Фотопроводимость обусловливается увеличением электрической проводимости под влиянием лучистой энергии, вызывающей ионизацию атомов в данном теле, в результате чего возрастает число свободных электронов, возникающих в теле.

Фотоэмиссия и фотопроводимость используются в передающих электронно-лучевых трубках, находящихся в телевизионных камерах.

Исчерпываются ли возможности получения свободных электронов термоэмиссией и фотоэмиссией?

Нет. Свободные электроны можно получить и под влиянием сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия), и под влиянием энергии потока электронов твердого тела, это так называемая вторичная эмиссия.

Что такое явление ионизации в газах?

Ионизацией называется процесс разделения атома (или частицы) на электрон и положительный ион. Для электроники представляет интерес ионизация газа, находящегося в электрическом поле. В этом случае свободные электроны перемещаются в направлении положительного электрода (рис. 1.10), и если они обладают соответствующей энергией (напряженность электрического поля соответственно велика), то в результате их соударений с атомами газа снова возникают свободные электроны и положительные ионы, которые при своем движении могут снова выбивать электроны и т. д. Здесь имеет место лавинная ионизация, возникающая под действием сильного электрического поля.

Рис. 1.10. Лавинная ионизация газа

Процесс ионизации характеризуется резким увеличением числа носителей заряда (электронов и ионов), в результате чего проводимость между электродами в лампе резко увеличивается. Одновременно с процессом ионизации в большей или меньшей степени происходит обратный процесс, называемый деионизацией или рекомбинацией, который заключается в соединении ионов с электронами.