Транзистор?.. Это очень просто!

Рис. 5. При соединении атома хлора (Сl) с атомом натрия (Na) образуется молекула хлористого натрия.

Н. — Да, но, получив избыточный электрон, хлор окажется ионизированным отрицательно, а потерявший свой электрон натрий станет положительным ионом?

Л. — Разумеется. Взаимное притяжение этих двух ионов сделает стабильной конструкцию молекулы, появившейся в результате этого бракосочетания.

Н. — А как называется новое вещество?

Л. — Хлористый натрий, если ты будешь покупать его в магазине химических реактивов, но в бакалее это же вещество продается под названием поваренной соли.

Н. — Я в этом не был уверен… А теперь я предполагаю, что таким образом можно объяснить и другие бракосочетания атомов. Как, например, происходит это при образовании молекулы воды?

Л. — Объединение происходит очень любезно. Атом кислорода имеет на внешней оболочке L 6 электронов, следовательно, на ней имеется еще два свободных места, и для заполнения их кислород занимает электроны у двух атомов водорода, так как, позволь тебе напомнить, атомы водорода имеют всего лишь по одному электрону (рис. 6).

Рис. 6. Два атома водорода (H) своими электронами дополняют количество электронов на оболочке L атома кислорода (О) до восьми. В результате объединения этих трех атомов образуется молекула окиси водорода, именуемая обычно… водой (Н₂O).

Н. — Теперь я понимаю, почему молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Л. — Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней показывает, в какие комбинации может вступать атом. Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным.

Н. — Прости меня, но это мне не совсем понятно.

Л. — Если на внешней оболочке имеется 6 или 7 электронов, то до полного комплекта из 8 электронов ей недостает соответственно 2 или 1 электрон. О таких атомах говорят, что они двухвалентны и одновалентны. Но если внешняя оболочка содержит 1, 2 или 3 электрона, то атом будет склонен отдать эти электроны. В этом случае мы имеем одновалентные, двухвалентные и трехвалентные элементы.

Н. — А если внешняя оболочка имеет 4 электрона?

Л. — В этом случае атом был бы более счастлив объединиться с другим атомом, имеющим также 4 электрона на внешней оболочке. Следовательно, такой атом четырехвалентен. Именно такие атомы у германия и кремния, используемых в производстве транзисторов, и у углерода. Наконец, если внешняя оболочка содержит 5 электронов, то атом называется пятивалентным. И, возвращаясь к вопросу о транзисторах, я представляю тебе несколько химических элементов, используемых при их производстве. С одной стороны, это алюминий, индий и галлий, внешняя оболочка которых содержит только 3 электрона, т. е. трехвалентные элементы, а с другой стороны, мышьяк и сурьма с 5 электронами на внешней оболочке, т. е. пятивалентные элементы (рис. 7).

Рис. 7. Распределение электронов (общее количество которых носит название «атомного номера») по различным оболочкам у основных элементов, используемых для изготовления транзисторов.

Общественная жизнь атомов

Н. — Неужели мы будем рассматривать таким способом все химические элементы?

Л. — Нет, успокойся. Мы ограничились элементами, имеющими важное значение в технологии транзисторов. Но мы допустим ошибку, если изучим только индивидуальную психологию атомов. Нас особенно должна интересовать их общественная жизнь. За исключением таких неисправимых индивидуалистов, как неон с 8 электронами на внешней орбите, которые боязливо отказываются от всякого объединения, атомы (не забывай этого!) живут в обществе. И их группировки имеют более или менее организованный характер. В твердых телах (за исключением тех, которые по своей структуре похожи на жидкости, как, например, стекло) атомы расположены в строго определенном порядке: они образуют кристаллические решетки.

Н. — Каким же образом они объединяются?

Л. — Это зависит от характера вещества. Возьмем в качестве примера германий или кремний. В этих веществах каждый атом своими четырьмя внешними электронами связан с четырьмя другими атомами: по одному электрону на каждый соседний атом. В свою очередь, каждый из соседних атомов отдает для связи с данным атомом по одному электрону. Я нарисовал здесь только один атом, связанный с четырьмя своими соседями (рис. 8). Но каждый из них, в свою очередь, связан с четырьмя соседними атомами (в том числе и с атомом, изображенным в центре нашего рисунка) и т. д. Теперь создается впечатление, что каждый атом имеет по 8 периферийных электронов, что, как ты видел, определяет условие стабильности. Попытайся представить себе правильное размещение атомов в пространстве.

Рис. 8. Атом германия, находящийся в центре куба, связан своими валентными электронами с четырьмя другими атомами (куб нарисован лишь для того, чтобы пояснить расположение атомов в пространстве). Кристаллы углерода и кремния имеют аналогичную структуру.

Н. — Очень забавная картина: висящие в пустоте шарики, каждый из которых наподобие индусских богов протягивает своим соседям четыре руки!.. И все твердые тела образуют подобные кристаллы?

Л. — Нет, Незнайкин. Но несколько других элементов имеют такое же распределение атомов, в частности углерод, большие кристаллы которого называются…

Н. — …алмазами. Это, мой дорогой друг, я знал. Нам повезло, что транзисторы делают из германия, а не из алмазов, иначе транзисторы стоили бы очень дорого.

Л. — Да, для нас с тобой, мой друг, это было бы очень и очень накладно… Однако существует много других типов кристаллов, которые нас сегодня не интересуют. Но нам чрезвычайно важно изучить свойства электронов внешней оболочки или, как их еще называют, периферийных электронов.

Н. — Ты мне сказал, что они легче других отрываются от атома, потому что слабее притягиваются его ядром.

Л. — Это правильно, но они отрываются лишь тогда, когда на внешней оболочке их мало — один, два или три. Это правило справедливо для всех металлов. Золото, серебро и медь имеют всего лишь по одному периферийному электрону; железо, цинк, магний — по два, а алюминий — три электрона. Эти электроны легко отрываются от атома и, став свободными, образуют поток электронов, который мы называем электрическим током. В отличие от металлов металлоиды имеют больше электронов на внешней оболочке, и эти электроны не проявляют тенденции к бродяжничеству, к которому так склонны их собратья, находящиеся в атомах металлов. Вот почему металлоиды являются диэлектриками.

Н. — А германий со своими четырьмя электронами тоже представляет собой диэлектрик?

Л. — И да, и нет, мой дорогой друг. В следующий раз я объясню тебе, что означает мой достойный древнегреческого оракула ответ.

Беседа вторая

ПЕРЕХОДЫ

Примеси, содержащиеся в полупроводниках даже в ничтожных количествах, резко изменяют электрические свойства этих материалов. Двое наших друзей изучают здесь, что происходит, когда чужеродные атомы нарушают правильную структуру кристаллической решетки.

_{Содержание: Собственная проводимость. Фоторезисторы и фотоэлементы. Примеси. Доноры. Дырки. Акцепторы. Полупроводники типов р и n. Переход. Потенциальный барьер. Прямое и обратное напряжения. Напряжение пробоя. Диод. Выпрямление тока полупроводниками.}

Спокойная семейная жизнь атомов

Незнайкин. — Я много думал о твоих кристаллических решетках и даже пошел во Дворец открытий[4] посмотреть модели, изображающие структуру различных кристаллов. Эти модели очень красивы: разноцветные маленькие шарики, изображающие атомы, соединены металлическими трубочками, представляющими собой валентные связи.

Любознайкин. — Поздравляю, что ты с такой пользой провел свой досуг. А к чему же привели твои размышления?

Н. — К идее, что кристалл германия похож на большое количество семей, каждая из которых имеет по четыре ребенка, а каждый ребенок одной семьи женат на ребенке одной из четырех соседних семей. Таким образом, по супружеским связям каждая из семей породнилась с четырьмя другими (рис. 9).

Рис. 9. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде схемы, хотя в действительности межатомные связи расположены не в одной плоскости, а в пространстве.

Л. — Ты нарисовал совсем неплохую картину, она даже поможет объяснить тебе дальнейшее. Действительно, в описанном тобой исключительно уравновешенном обществе нельзя ожидать больших потрясений, если все пары будут сохранять безупречную верность. И в нашем кристалле германия все электроны должны оставаться крепко привязанными к своим атомам прочными валентными связями.

Н. — Но что ты сделаешь с человеческими страстями?

О нескольких разводах

Л. — Ты, как я вижу, прочитал какой-нибудь сентиментальный роман… Ну, ладно. Точно так же, как людьми движут страсти, атомы подвержены тепловому воздействию, которому время от времени удается вырвать из той или иной связи электрон и освободить его. А ты знаешь, что когда электроны свободны…

Н. — …тело становится проводником тока. Много ли свободных электронов в германии при нормальной температуре?

Л. — Нет, очень мало. Едва ли два электрона на 10 миллиардов (т. е. на 1010) атомов. Это примерно такое соотношение, как если бы на удвоенное население земного шара был только один свободный человек.

Н. — Какая ужасная картина! Но если это так, то германий должен быть очень плохим проводником?

Л. — Да, и именно по этой причине его назвали полупроводником. Заметь, однако, что в одном грамме германия имеется десять тысяч миллиардов (или 1022) атомов, так что в нем содержится около двух тысяч миллиардов (или 2·1012) свободных электронов. Это лучше, чем ничего… и такого количества достаточно, чтобы пропустить небольшой ток.

Н. — Ты говоришь мне о тысячах миллиардов электронов и утверждаешь, что ток небольшой!

Л. — Значит, ты, Незнайкин, забыл, что плотность тока в один ампер соответствует прохождению 6·1018 электронов в секунду. Ты, конечно, поймешь, что наши несколько жалких тысяч миллиардов свободных электронов, разбросанных в колоссальной кристаллической решетке германия, могут создать только небольшую проводимость. Последняя обязана своим существованием тепловому движению и (обрати на это внимание) носит название собственной проводимости.

Н. — Одним словом, дело обстоит так, как если бы в нашем образцово организованном обществе изредка случались разводы и повторные браки.

Л. — Это тоже правильно. А чтобы лучше использовать твое сравнение, скажем, что иногда там может, как пишут в романах, дуть «знойный ветер страстей», вызывающий большие потрясения.

Н. — Я догадываюсь, что ты хочешь сказать: Если повышать температуру кристалла германия, то тепловое движение, становясь быстрее, высвобождает большее количество электронов. Собственная проводимость в этом случае повышается. В отличие от того, что имеет место в проводниках, сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается.

Л. — Ты хорошо рассудил, Незнайкин! Именно поэтому германий плохо работает при повышенных температурах. Нас в германии интересует не его собственная проводимость, потому что не ее используют в транзисторах. Кремний лучше выдерживает повышение температуры, так как его валентные электроны, находящиеся на третьей оболочке, крепче связаны с ядром, чем валентные электроны германия, находящиеся на четвертой оболочке. Я добавлю, что можно также высвобождать электроны, воздействуя на атомы полупроводника не тепловой, а световой энергией.