|
| |
|
Главная Журналы порция энергии в виде излучения. Для того чтобы электрон перешел с внутренней орбиты на внешнюю, нужно сообщить извне также строго определенную порцию энергии в виде тепла, или при помощи бомбардировки атома частицами, или воздействия внешнего электрического ноля. Если сообщаемой извне энергии достаточно, то из атомной оболочки можно выбить один или несколько электронов, теряющих уже связь с данным атомом и ядром. Если внешняя орбита не целиком заполнена, как, например, у германия или кремния, то имеется возможность присоединить к атому один или несколько электронов. При потере или приобретении добавочных электронов атом ионизируется, т. е. перестает быть электрически нейтральным. Электроны внешнего слоя называются валентными; они определяют электропроводность вещества и, вступая во взаимодействие с другими ядрами, вызывают химические реакции. Как построено вещество из атомов? Все твердые тела, встречающиеся в природе, можно разделить но физическому строению на аморфные и кристаллические. Такие свойства аморфных тел, как теплопроводность, электропроводимость, показатель преломления света и другие, в отличие от кристаллических не зависят от направления, в котором определяются эти CBOiiCTBa. Кристаллические вепества обладают упорядоченным строением. Мельчайшие частицы, отличающие данное вещество от других - атомы, молекулы и ионы кристаллов,- образуют в пространстве узлы правильно повторяющейся решетки. Обязательное тепловое движение частиц происходит все время в окрестностях этих узловых точек пространственной кристаллической решетки. Вид решетки зависит от частиц, из которых она построена. Частицы связаны между собой силами электрического взаимодействия. Когда вещество из расилавленного состояния переходит в твердое, частицы занимают в пространстве положение, соответствующее минимальной потенциально]! энергии, таким образом, что образуют кристаллические структуры-решетки. Особый интерес для нас представляют германий, кремний, углерод (алмаз), из которых изготовляют полупроводниковые приборы. У этих веществ четыре валентных электрона. Схематическое объемное изображение кристаллической решетки алмаза показано на рис. 11-2. Аналогичные решетки у германия и кремния. Каждый атом связан с четырьмя ближайшими к нему в пространстве атомами, расположенными симметрично и на одинаковых расстояниях. Связи каждого атома с четырьмя ближайшими поддерживаются валентными электронами. Благодаря валентным связям вещество оказывается стабильным. Валентные связи между атомами кристаллической решетки видны на рис. II-3, где показаны в виде окружностей ядра атомов   Рис. II-2. Модель кристаллической решетки алмаза Рис. II-3. Валентные связи атома германия германия и внешние орбиты, на которых находятся по четыре валентных электрона (промежуточные, «заполненные» орбиты для простоты не указаны). Каждый из электронов любого атома связан с одним из электронов ближайшего атома - так образуются кова-лентные связи, в которых участвуют но два электрона (показано на рисунке сплошными линиями). Тем самым каждый из атомов как бы получает более заполненную внешнюю орбиту, на которой находятся восемь электронов. Поля отдельных близко расположенных атомов влияют друг на друга и в совокупности образуют внутри кристалла периодическое электростатическое поле. Электроны, участвующие в валентных связях, нормально покидать их не могут. Однако если каким-нибудь способом сообщить веществу дополнительную энергию (в форме энергии поля, тепла или света), то некоторое количество электронов вырывается из ковалентных связей и становится свободным. Металл Полупроводник Изолятор Они принимают участие в процессе проводимости, перемещаясь, например, под действием внешнего электрического поля. Чем больше свободных электронов, тем больше электропроводность вещества. Каждому электрону свойствен определенный энергетический уровень. Если атомы вещества близки друг другу, то значения уровней отдельных электронов из-за влияния нолей несколько смещаются. В твердом теле с кристаллической структурой энергетических уровней может быть очень много - в совокупности они образуют как бы полосу, или зону, возможных энергетических уровней. Валентные электроны и электроны с более низкими энергетическими уровнями образуют зону 1, лежащую ниже уровня (рис. 11-4). Зона этих электронов называется нормальной или валентной. Электроны, получившие добавочную энергию и разорвавшие валентные связи, находятся на более высоких энергетических уровнях, простирающихся, например, выше £"2. Уровни, расположенные выше Е, образуют зону 2 - возбуждения, или проводимости. Ширина энергетического зазора между Е и Е2, равная А, зависит от строения вещества - эта зона соответствует тем энергетическим уровням, которые не свойственны электронам данного вещества, и называется запрещенной, или недозволенных уровней. Проводимость вещества определяется шириной запрещенной зоны. Если эта зона настолько широка, что никакими внешними воздействиями нельзя заставить электроны перемещаться из нормальной зоны в зону проводимости, то вещество представляет собой изолятор. К изоляторам относятся слюда, кварц, асбест, сера, некоторые керамики и др. Если запрещенная зона отсутствует или зоны проводимости и нормальная перекрывают друг друга, это означает, что все валентные электроны могут легко перемещаться и участвовать в процессе проводимости. Такое вещество называется проводником (металлы). Рис. II-4. Энергетические уровни частиц в веществах с различной о.лектро-проводностью Вещество, у которого запрещенная зона мала и под действием внешних факторов валентные электроны могут переходить в зону проводимости, называется полупроводником (рис. 11-4,6 ). Электропроводность полупроводников неустойчива и сильно зависит от внешних факторов. К полупроводникам относятся гранит, селен, германий, кремний, теллур, большинство окислов метал.лов и их сернистых соединений и др. Виды проводимости. Электропроводность вещества не исчершзгвается перемещением свободных электронов, расположенных в зоне проводимости, хотя подобная электронная проводимость для некоторых веществ и играет решающую роль. Существуют проводники с ионной проводимостью, например растворы солей, газы. В них носителями тока служат положительные или отрицательные ионы-атомы, временно потерявшие или присоединившие электроны. Ионная проводимость обычно связана с изменением положения атомов, т. е. с изменением физических или химических свойств. Ионная проводимость имеет место в различных газоразрядных приборах. У полупроводников с электронной проводимостью при прохождении электрического тока атомы остаются в фиксированных положениях, в углах кристаллической решетки. Число электронов, учасгвуюхцих в процессе проводимости, может изменяться, но структура и химический состав вещества неизменны. Решающий фактор, определяющий электропроводность полупроводников,- тепловое движение частиц. Ширина энергетического зазора между нормальной зоной и зоной проводимости у большинства полупроводников составляет от 0,1 до 1 эв*. При обычной комнатной температуре средняя энергия частиц равна примерно 0,4 эв. Однако среди огромного количества частиц, участвующих в тепловом движении, существуют такие, энергии которых отличаются от среднего значения: че.м больше энергии, тем меньше вероятность существования частицы с такой энергией. Частицы с высокими значениями энергии при столкновении с соседними атомами могут нарушить валентные * Зй - электршговольт - одииица энергшг, соответствующая изменению зиергпп электрона при прохождении в электростатическом поле разности потенциалов 1 в. связи и выбить электрон, сообщив ему достаточную энергию для перехода в зону проводимости. Вырванный из связи электрон будет избыточным но отношению к тем, которые обеспечивают ковалентные связи, так как ни в одну из завершенных связей он войти не может. Под действием приложенного электростатического ноля избыточный электрон будет перемещаться в направлении положительного потенциала и создавать электрический ток. Если из некоторой ковалентной связи удален один электрон, то атом окажется положительно заряженным, а в ковалентной связи образуется дырка. Понятие «дырка» имеет большое значение в теории нолуироводников, и поэтому мы остановимся на нем несколько подробнее. Не следует отождествлять дырку с положительно ионизированным атомом. Под дыркой понимается избыток положительного заряда в ковалентной связи, численно равный заряду электрона, т. е. дырка представляет собой понятие, удобное для описания особого вида электронной проводимости, так называемой дырочной проводимости. Дырка в ковалентной связи может быть заполнена электроном соседнего атома, перешедшим в зону проводимости. Этот электрон, в свою очередь, оставляет дырку, которая также может быть заполнена другим электроном, образовавшим новую дырку, и т. д. Этот процесс перемещения, «дрейфа» дырок можно представить как процесс перемещения внутри кристаллической решетки положительных зарядов, равных по величине зарядам электронов и движущихся в направлении отрицательного потенциала поля. Среднее значение скорости перемещения дырок в чистом, беспримесном полупроводнике несколько меньше скорости перемещения электронов. Поэтому ток, обусловленный дырками, несколько меньше тока, обусловленного электронами. Это означает, что беспримесный полупроводник имеет слабо выраженную электронную проводимость. Введение в чистый полупроводник даже ничтожных (миллионных) долей примесей других веществ снижает ширину зоны запрещенных энергий и вызывает появление избыточной проводимости, называемой примесной. Подробно примесная проводимость рассматривается в § 5 этой главы. § 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕНТИЛЕЙ И ИХ ПАРАМЕТРЫ
характеристика идеального вентиля Э.лектрическим вентилем называют прибор, который проводит электрический ток в одном нанрав-лении значительно лучше, чем в другом. Можно сказать, что идеальным вентилем называют прибор с односторонней проводимостью. Вольтамнерная характеристика идеального вентиля показана на рис. II-5. Для одного направления тока (назовем его прямым) сопротивление вентиля равно нулю, а для противоположного (назовем его обратным) - равно бесконечности. На рисунке показано условное обозначение вентиля и направление прямого и обратного токов. Такой прибор с односторонней проводимостью можно использовать для преобразования переменного тока в ток пульсирующий, т. е. в ток переменный по величине, но постоянный по направлению, причем осуществить такое преобразование без потерь энергии в вентиле напряжения на нем. Реальные вентили имеют вольтамнерные характеристики, отличающиеся от идеальных. Это отличие состоит в том, что процесс преобразования переменного тока в постоянный сопровождается потерями энергии и напряжения на вентиле. Кроме того, реальные вентили имеют ограниченные пределы электрического режима работы. Электрические вентили могут быть классифицированы по ряду признаков. Основным является характер проводимости, определяющийся средой, в которую помещены электроды вентиля. По этому признаку вентили разделяют на три группы: 1) электронные - кенотроны (диоды), трех- и многоэлектродные лампы; 2) ионные - газотроны, тиратроны, ртутные вентили и др.; 3) полупроводниковые - селеновые, германиевые, кремниевые, медно-закисные и др. Вентили разделяют также на управляемые и неуправляемые. К неуправляемым вентилям относят: кенотроны. 0 1 2 3 4 5 6 7 [ 8 ] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 |
|||||||||||||||||||||||