-->
|
|
|
Ãëàâà 16. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ § 110. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ïîëóïðîâîäíèêàõ. Ñîáñòâåííàÿ è ïðèìåñíàÿ ïðîâîäèìîñòèÏî÷åìó ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêîâ çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû? Êàêèå ÿâëåíèÿ íàáëþäàþòñÿ â ñîñòîÿíèè ñâåðõïðîâîäèìîñòè?
Îòëè÷èå ïðîâîäíèêîâ îò ïîëóïðîâîäíèêîâ îñîáåííî ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè àíàëèçå çàâèñèìîñòè èõ ýëåêòðîïðîâîäèìîñòè îò òåìïåðàòóðû. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ó ðÿäà ýëåìåíòîâ (êðåìíèé, ãåðìàíèé, ñåëåí, èíäèé, ìûøüÿê è äð.) è ñîåäèíåíèé (PbS, CdS, GaAs è äð.) óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû íå ðàñò¸ò, êàê ó ìåòàëëîâ (ñì. ðèñ. 16.3), à, íàîáîðîò, ÷ðåçâû÷àéíî ðåçêî óìåíüøàåòñÿ (ðèñ. 16.4). Òàêîå ñâîéñòâî ïðèñóùå èìåííî ïîëóïðîâîäíèêàì. Èç ãðàôèêà, èçîáðàæ¸ííîãî íà ðèñóíêå, âèäíî, ÷òî ïðè òåìïåðàòóðàõ, áëèçêèõ ê àáñîëþòíîìó íóëþ, óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ïîëóïðîâîäíèêîâ î÷åíü âåëèêî. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ïîëóïðîâîäíèê âåä¸ò ñåáÿ êàê äèýëåêòðèê. Ïî ìåðå ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû åãî óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå áûñòðî óìåíüøàåòñÿ. Ñòðîåíèå ïîëóïðîâîäíèêîâ. Äëÿ òîãî ÷òîáû âêëþ÷èòü òðàíçèñòîðíûé ïðè¸ìíèê, çíàòü íè÷åãî íå íàäî. Íî ÷òîáû åãî ñîçäàòü, íàäî áûëî çíàòü î÷åíü ìíîãî è îáëàäàòü íåçàóðÿäíûì òàëàíòîì. Ïîíÿòü æå â îáùèõ ÷åðòàõ, êàê ðàáîòàåò òðàíçèñòîð, íå òàê óæ è òðóäíî. Ñíà÷àëà íåîáõîäèìî ïîçíàêîìèòüñÿ ñ ìåõàíèçìîì ïðîâîäèìîñòè â ïîëóïðîâîäíèêàõ. À äëÿ ýòîãî ïðèä¸òñÿ âíèêíóòü â ïðèðîäó ñâÿçåé, óäåðæèâàþùèõ àòîìû ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êðèñòàëëà äðóã âîçëå äðóãà. Äëÿ ïðèìåðà ðàññìîòðèì êðèñòàëë êðåìíèÿ.
Êðåìíèé — ÷åòûð¸õâàëåíòíûé ýëåìåíò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âî âíåøíåé îáîëî÷êå åãî àòîìà èìååòñÿ ÷åòûðå ýëåêòðîíà, ñðàâíèòåëüíî ñëàáî ñâÿçàííûå ñ ÿäðîì. ×èñëî áëèæàéøèõ ñîñåäåé êàæäîãî àòîìà êðåìíèÿ òàêæå ðàâíî ÷åòûð¸ì. Ñõåìà ñòðóêòóðû êðèñòàëëà êðåìíèÿ èçîáðàæåíà íà ðèñóíêå (16.5). Âçàèìîäåéñòâèå ïàðû ñîñåäíèõ àòîìîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïàðíîýëåêòðîííîé ñâÿçè, íàçûâàåìîé êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ.  îáðàçîâàíèè ýòîé ñâÿçè îò êàæäîãî àòîìà ó÷àñòâóåò ïî îäíîìó âàëåíòíîìó ýëåêòðîíó, ýëåêòðîíû îòäåëÿþòñÿ îò àòîìà, êîòîðîìó îíè ïðèíàäëåæàò (êîëëåêòèâèðóþòñÿ êðèñòàëëîì), è ïðè ñâî¸ì äâèæåíèè áîëüøóþ ÷àñòü âðåìåíè ïðîâîäÿò â ïðîñòðàíñòâå ìåæäó ñîñåäíèìè àòîìàìè. Èõ îòðèöàòåëüíûé çàðÿä óäåðæèâàåò ïîëîæèòåëüíûå èîíû êðåìíèÿ äðóã âîçëå äðóãà. Íå íàäî äóìàòü, ÷òî êîëëåêòèâèðîâàííàÿ ïàðà ýëåêòðîíîâ ïðèíàäëåæèò ëèøü äâóì àòîìàì. Êàæäûé àòîì îáðàçóåò ÷åòûðå ñâÿçè ñ ñîñåäíèìè, è ëþáîé âàëåíòíûé ýëåêòðîí ìîæåò äâèãàòüñÿ ïî îäíîé èç íèõ. Äîéäÿ äî ñîñåäíåãî àòîìà, îí ìîæåò ïåðåéòè ê ñëåäóþùåìó, à çàòåì äàëüøå âäîëü âñåãî êðèñòàëëà. Âàëåíòíûå ýëåêòðîíû ïðèíàäëåæàò âñåìó êðèñòàëëó.
Ïàðíîýëåêòðîííûå ñâÿçè â êðèñòàëëå êðåìíèÿ äîñòàòî÷íî ïðî÷íû è ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ íå ðàçðûâàþòñÿ. Ïîýòîìó êðåìíèé ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå íå ïðîâîäèò ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Ó÷àñòâóþùèå â ñâÿçè àòîìîâ âàëåíòíûå ýëåêòðîíû ÿâëÿþòñÿ êàê áû öåìåíòèðóþùèì ðàñòâîðîì, óäåðæèâàþùèì êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåø¸òêó, è âíåøíåå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå íå îêàçûâàåò çàìåòíîãî âëèÿíèÿ íà èõ äâèæåíèå. Àíàëîãè÷íîå ñòðîåíèå èìååò êðèñòàëë ãåðìàíèÿ. Ýëåêòðîííàÿ ïðîâîäèìîñòü. Ïðè íàãðåâàíèè êðåìíèÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö ïîâûøàåòñÿ, è íàñòóïàåò ðàçðûâ îòäåëüíûõ ñâÿçåé. Íåêîòîðûå ýëåêòðîíû ïîêèäàþò ñâîè «ïðîòîð¸ííûå ïóòè» è ñòàíîâÿòñÿ ñâîáîäíûìè, ïîäîáíî ýëåêòðîíàì â ìåòàëëå.  ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå îíè ïåðåìåùàþòñÿ ìåæäó óçëàìè ðåø¸òêè, ñîçäàâàÿ ýëåêòðè÷åñêèé òîê (ðèñ. 16.6).
Ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ÷èñëî ðàçîðâàííûõ ñâÿçåé, à çíà÷èò, è ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïðè íàãðåâàíèè îò 300 äî 700 Ê ÷èñëî ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà óâåëè÷èâàåòñÿ îò 1017 äî 1024 1/ìë3. Ýòî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ñîïðîòèâëåíèÿ. Äûðî÷íàÿ ïðîâîäèìîñòü.
 äûðêå èìååòñÿ èçáûòî÷íûé ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä ïî ñðàâíåíèþ ñ îñòàëüíûìè, íå ðàçîðâàííûìè ñâÿçÿìè (ñì. ðèñ. 16.6).
Ïîëîæåíèå äûðêè â êðèñòàëëå íå ÿâëÿåòñÿ íåèçìåííûì. Íåïðåðûâíî ïðîèñõîäèò ñëåäóþùèé ïðîöåññ. Îäèí èç ýëåêòðîíîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ñâÿçü àòîìîâ, ïåðåñêàêèâàåò íà ìåñòî îáðàçîâàâøåéñÿ äûðêè è âîññòàíàâëèâàåò çäåñü ïàðíîýëåêòðîííóþ ñâÿçü, à òàì, îòêóäà ïåðåñêî÷èë ýòîò ýëåêòðîí, îáðàçóåòñÿ íîâàÿ äûðêà. Òàêèì îáðàçîì, äûðêà ìîæåò ïåðåìåùàòüñÿ ïî âñåìó êðèñòàëëó. Åñëè íàïðÿæ¸ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â îáðàçöå ðàâíà íóëþ, òî ïåðåìåùåíèå äûðîê ïðîèñõîäèò áåñïîðÿäî÷íî è ïîýòîìó íå ñîçäà¸ò ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Ïðè íàëè÷èè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âîçíèêàåò óïîðÿäî÷åííîå ïåðåìåùåíèå äûðîê.
 îòñóòñòâèå âíåøíåãî ïîëÿ íà îäèí ñâîáîäíûé ýëåêòðîí (-) ïðèõîäèòñÿ îäíà äûðêà (+). Ïðè íàëîæåíèè ïîëÿ ñâîáîäíûé ýëåêòðîí ñìåùàåòñÿ ïðîòèâ íàïðÿæ¸ííîñòè ïîëÿ.  ýòîì íàïðàâëåíèè ïåðåìåùàåòñÿ òàêæå îäèí èç ñâÿçàííûõ ýëåêòðîíîâ. Ýòî âûãëÿäèò êàê ïåðåìåùåíèå äûðêè â íàïðàâëåíèè ïîëÿ. Èòàê, â ïîëóïðîâîäíèêàõ èìåþòñÿ íîñèòåëè çàðÿäà äâóõ òèïîâ: ýëåêòðîíû è äûðêè.
Ìû ðàññìîòðåëè ìåõàíèçì ïðîâîäèìîñòè ÷èñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.
|
|
|