* Данный текст распознан в автоматическом режиме, поэтому может содержать ошибки

§ 2-9] Транзисторы 63 Транзисторы не требуют расхода энергии на накал, имеют относительно малые размеры, высокую механическую прочность и обладают при правильном использовании практически неограниченным сроком с л у ж б ы . 2-9а. Свойства полупроводников. Чтобы лучше попять принцип действия транзисторов, рассмотрим некоторые наиболее важные ха­ рактеристики полупроводниковых м а т е р и а л о в . Строение атома. Согласно со­ временным физическим представлениям атомы всех элементов состоят из ядра, имеющего определенную массу и электрический з а р я д , и одного или более электронов, в р а щ а ю щ и х с я по орбитам вокруг ядра. На самой внутренней орбите может быть максимум два электрона, на следующих двух орбитах — максимум по восемь электронов, а на четвертой и пятой орбитах — максимум по десять и восемь элек­ тронов соответственно. Электроны, находя­ щиеся на внешней орбите, называются валент­ ными электронами. Только валентные электро­ ны вступают во взаимодействие с другими атомами. Элементы, которые имеют четыре ва­ лентных электрона и которым не хватает четы­ рех дополнительных электронов для заполне­ ния внешней орбиты, представляют особый интерес благодаря своим полупроводниковым свойствам. Д в а таких элемента, кремний (14 электронов) и германий (32 электрона), наибо­ лее широко используются для изготовления по­ лупроводниковых диодов и транзисторов. Согласно атомной теории электрические свойства элементов могут быть объяснены с помощью так называемых энергетических уровней. Считают, что валентные электроны занимают вполне определенные энергетические уровни и проводимость элемента определяется той энергией, которую н у ж н о сообщить валент­ ным электронам, чтобы они могли перейти со своего нормального энергетического уровня на уровень проводимости, т. е. на наибольший энергетический уровень. Типичные диаграммы энергетических уровней показаны на рис. 2-66. 1 проводимости. '///////////////. ,1 ЩробемЩ, p i проводимости] ХУробеюЩ энергетическое расстояние ^§алентньа^ Проводник Рис. 2-66. Диэлектрик уров­ Типичные д и а г р а м м ы э н е р г е т и ч е с к и х ней. Для диэлектрика энергетическое расстояние, разделяющее уровень валентных электронов л уровень проводимости, велико и валент­ ным электронам очень трудно достигнуть уров­ ня проводимости. Д л я проводника энергетиче­ ский уровень валентных электронов и уровень Д л я получения и с ч е р п ы в а ю щ и ^ с в е д е н и й по этому вопросу см. W . S h o c K l e y , Electrons and holes in semiconductor, D. V a n Nostrand Company, Inc., New York, 1950. 1 проводимости перекрывают друг друга, поэтому валентные электроны легко переходят от одного атома к другому, образуя т о к о п р о в о д я щ у ю среду. В полупроводнике энергетическое рас­ стояние, разделяющее уровень валентных элек­ тронов и уровень проводимости, очень мало и тепловая энергия валентных электронов при комнатной температуре достаточна, чтобы обес­ печить заметную проводимость. Энергетическое расстояние для кремния составляет 1,11 эв, а для германия 0,72 эв. К р и с т а л л и ч е с к а я с τ ρ у к τ уρ а. Кристаллы германия и кремния имеют форму четырехгранника. Валентные электроны каждого атома образуют парноэлектроннуюили к о в а л е н т н у ю с в я з ь с одним из валентных электронов четырех со­ седних атомов. В этих условиях кристаллы гер­ мания и кремния находятся в состоянии равно­ весия, они электрически нейтральны и при низ­ ких т е м п е р а т у р а х обладают свойствами диэлек­ трика. О д н а к о у ж е при комнатной температуре некоторые валентные электроны переходят на уровень проводимости и освобождаются от своих ковалентных связей^ При отрыве электро­ на от атома атом остается з а р я ж е н н ы м положи­ тельно. Место отсутствия электрона в кристалле называют д ы р к о й . Т а к и м образом, в ре­ зультате перехода электрона на уровень про­ водимости создается пара д ы р к а — э л е к ­ т р о н . При наличии внешнего электрического поля электроны и дырки начинают двигаться в противоположных н а п р а в л е н и я х . Д в и ж е н и е дырки обусловлено тем, что место, в котором от­ сутствует электрон, может быть з а н я т о элек­ троном из соседнего атома. При этом образуется дырка в соседнем атоме, которая в свою очередь может быть з а н я т а следующим электроном. Повторение этого процесса равносильно пере­ мещению дырки в электрическом поле. Плот­ ность пар дырка—электрон щ возрастает с уве­ личением температуры по экспоненциальному з а к о н у . Д л я германия при комнатной темпера­ туре (300° К) л,- = 1,7 IO пар/см*. П о л у п р о в о д н и к и с примеся­ м и . Проводимость германия и кремния можно изменять путем введения в них некоторых при­ месей. Рассмотрим принцип управления про­ водимостью применительно к германию, хотя то же самое в равной степени относится и к кремнию. Если к кристаллическому германию добавить определенное количество м ы ш ь я к а или сурьмы, которые относятся к пятивалент­ ным элементам, то их атомы образуют ковалентные связи с атомами германия. Т а к как т о л ь к о четыре валентных электрона могут образовать ковалентные связи с окружающими атомами германия, то пятый валентный электрон оста­ ется свободным. Энергия, необходимая д л я отрыва этого пятого электрона от атома, состав­ ляет приблизительно0,01$е для германия (0,05эв для кремния) при низких у р о в н я х концентра­ ции. Т а к и м образом, при комнатной темпера­ туре тепловая энергия электрона достаточна, чтобы он мог перейти на уровень проводимости. Отрыв одного валентного электрона оставляет атом мышьяка или сурьмы с положительным зарядом, равным повеличине заряду электрона. Этот положительный з а р я д создает около атома 18