справа). Ток появляется! Почему?
29
Разумеется, напряжение на конденсаторе предполагается не очень высоким, чтобы не наступил пробой воздуха. О том, что такое пробой газового промежутка, речь пойдёт ниже.
225
3.15.1
Свободные заряды в газе
Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?
Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением за- ряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Давайте посмотрим, каким образом эти заряды могут появляться в газе.
При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов —
становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис.
3.59
).
+
e
−
e
−
+
Рис. 3.59. Ионизация
Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему ис- ходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна 40%, то это означает, что 40%
исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.
Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У
водорода, например, при температуре ниже 10000
◦
C степень ионизации не превосходит 10%,
а при температуре выше 20000
◦
C степень ионизации близка к 100% (то есть водород почти полностью ионизирован
30
).
Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.
Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентге- новские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором.
Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.
Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис.
3.60
).
+
e
−
e
−
+
Рис. 3.60. Рекомбинация
Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение электронов и положительных ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, положительный ион и электрон встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или ней- тральную молекулу).
30
Частично или полностью ионизированный газ называется плазмой.
226
При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равно- весие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количе- ству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомби- нации). Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрас- тёт. Наоборот,
если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.
Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. От- куда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис.
3.61
+
e
−
e
−
e
−
+
e
−
Рис. 3.61. Появление отрицательного иона
Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока на- ряду с положительными ионами и электронами.
3.15.2
Несамостоятельный разряд
Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.
+
−
+
−
Ионизатор
+
+
−
e
Рис. 3.62. Несамостоятельный разряд
На рис.
3.62
мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электри-
227
ческий ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: поло- жительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду).
С движением заряженных частиц в газовом промежутке всё ясно. А почему возникает ток во внешней цепи?Свободные электроны газа, попадая на анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами,
возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источ- ника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны (и, превратившись в нейтральные частицы, диффундируют обратно в газ), а возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате всех этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.
Описанный процесс, изображённый на рис.
3.62
, называется несамостоятельным разря- дом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм,
обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.
3.15.3
Вольт-амперная характеристика газового разряда
Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом
(так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда) показана на рис.
3.63
U
I
O
A
B
C
Рис. 3.63. Вольт-амперная характеристика газового разряда
При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совер- шают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.
При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным ча- стицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.
С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем мень- ше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё
большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок OA).
При определённой величине напряжения (точка A) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С
этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения — а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения.
Так будет происходить вплоть до некоторой точки B.
228
3.15.4
Самостоятельный разряд
После прохождения точки B сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начи- нается самостоятельный разряд. Сейчас мы разберёмся, что это такое.
Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках меж- ду столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка B), электро- ны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют
31
их!
Начинается так называемая ионизация электронным ударом. Электроны, выбитые из иони- зированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы,
ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электрон- ной лавины число ионизированных атомов стремительно увеличивается, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.
Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь по- рождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.
Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!
Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное»
количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением зем- ной коры,
высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами. Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно ма- ла; но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду. Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.
Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно 30 кВ/см.
Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение 30 киловольт. Вообразите же, какое напряжение необ- ходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.
31
С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы),
ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.
229
3.16
Полупроводники
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на про- водники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале
10
−8
— 10
−6
Ом · м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на 20 порядков: 10 10
— 10 16
Ом · м.
Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежу- точное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диа- пазоне 10
−3
— 10 7
Ом · м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения
32
. Наиболее широко примененяются кремний (Si) и германий (Ge).
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис.
3.64
T
ρ
Рис. 3.64. Зависимость ρ = ρ(T ) для полупроводника
Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов:
удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.
Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полу- проводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обуслов- лен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повы- шение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике.
В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным меха- низмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.
32
Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры прихо- дится на вещества, являющиеся полупроводниками.
230
3.16.1
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который,
подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупро- водники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.
Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, сла- бее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В про- цессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему ва- лентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис.
3.65
).
e e
Рис. 3.65. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помо- щью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая меж- ду атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.
3.16.2
Кристаллическая структура кремния
Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве при- мера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.
Пространственная структура кремния представлена
33
на рис.
3.66
. Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.
Рис. 3.66. Кристаллическая структура кремния
Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами.
Почему так получается?
Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома крем- ния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов
33
Автор картинки —
Ben Mills
231
образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происхо- дит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами,
каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).
Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния, пред- ставленной на рис.
3.67
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Рис. 3.67. Кристаллическая решётка кремния
Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях нахо- дятся общие электронные пары.
Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии,
б´
ольшую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.
Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).
Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрическо- го поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.
3.16.3
Собственная проводимость
Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?
При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее,
и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значе- ний, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во
232
внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, обра- зуя электрический ток.
Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количе- ство ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис.
3.68
. На ме- сте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона оста-
ётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
+
+
Рис. 3.68. Образование свободных электронов и дырок
Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может
перескочить на обра- зовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный харак- тер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.
На рис.
3.69
изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле
E. В левой части рисунка — начальное положение дырки.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
E
E
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
E
E
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
E
E
Рис. 3.69. Движение дырки в электрическом поле
Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон → дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких пере- скоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка,
233
соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный элек- трическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.
Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда,
куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому,
происходящими преимущественно в направлении против поля.
Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные элек- троны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток,
вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются про- тивоположно вектору напряжённости поля
E, а дырки — в направлении вектора
E.
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной про- водимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок на- зывается дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа
34
. Обе проводимости — элек- тронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.
Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концен- трация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт
увеличения как электронной, так и дырочной проводи- мости.
Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: реком- бинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой,
заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в ва- лентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равнове- сие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состо- яние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.
Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяет- ся. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.
При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии при- близительно равно 10 10
см
−3
. Концентрация же атомов кремния — порядка 10 22
см
−3
. Иными словами, на 10 12
атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень ма- ло. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.
3.16.4
Примесная проводимость
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного ко- личества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминиру- ющая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышья- ка (As). После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в
34
От первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)
234
некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис.
3.70
Скачать 4.04 Mb.