Радио и телевидение?.. Это очень просто! - [42]

Фотоэлектричество

Можно также повысить проводимость полупроводников, подвергая их атомы воздействию фотонов. Что такое фотон? Это частица света. По теории Луи де Бройля, световые лучи состоят одновременно из этих частиц и электромагнитных волн. Направь свет на пластинку селена и ты увидишь, что удельное электрическое сопротивление этого полупроводника снизится. Происходит это потому, что фотоны, сталкиваясь с атомами, вырывают периферийные электроны и делают их свободными, что вызывает движение электрического тока.

Так устроены фоторезисторы, служащие для преобразования световых колебаний в электрические сигналы. На их основе были созданы первые устройства для передачи изображений. Впоследствии удалось получать свободные электроны, выбивая их ударами фотонов с поверхности полупроводников, в частности кадмия. На этом принципе основаны фотоэлементы: полупроводниковые элементы помещают в вакуум, и высвобожденные электроны притягиваются с помощью положительного электрода (рис. 117). Эта конструкция, очевидно, напоминает тебе устройство диода.

Рис. 117.Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, состоящий из светочувствительного полупроводника р и электрода А, которому сообщен положительный потенциал.

Отрицательные полупроводники

Однако при использовании полупроводников главную роль играет не тепловое движение и не фотоэлектрический эффект, а наличие некоторых примесей. Очень малые количества инородных веществ, например 1 атом примеси на 10 миллионов собственных атомов полупроводников, полностью изменяют поведение последних.

Рассмотрим случай с пятивалентными примесями, т. е. состоящими из атомов, у которых на внешней оболочке имеется пять электронов. К этой группе, в частности, относятся мышьяк и сурьма. Вспомни кристаллическую структуру полупроводников, где каждый из четырех периферийных электронов устанавливает связь с соседними атомами. Наличие одного постороннего атома с пятью периферийными электронами разрушает безупречный порядок структуры (рис. 118). Четыре электрона вступают в валентные связи с соседними атомами.

Рис. 118.В кристаллической структуре, состоящей из атомов с четырьмя электронами, присутствует посторонний атом с пятью электронами.

А что станет делать пятый? Так вот, он становится свободным. Атом с таким электроном рассматривается как донор. А полупроводник считается типом n, т. е. отрицательным. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то положительный полюс притянет свободные электроны и через полупроводник потечет ток. При этом отрицательный полюс источника будет отдавать электроны.

Самый любопытный факт заключается в том, что в этом отрицательном полупроводнике атомы примеси становятся положительными. В самом деле, уход пятого периферийного электрона нарушает нейтралитет атома и делает его положительным. На месте этого электрона образуется дырка, которую может заполнить другой электрон.

Положительные полупроводники

Посмотрим теперь, что происходит при введении в полупроводник трехвалентных примесей, таких, как алюминий или галлий, атомы которых имеют на внешней оболочке три электрона. Такой атом, попав в кристаллическую решетку из атомов, имеющих по четыре периферийных электрона, устанавливает валентные связи с тремя соседними атомами. Но четвертый атом тоже хочет быть с ним в связи, чтобы сохранить нормальную структуру кристалла. Поэтому он всячески стремится направить к нему один из своих периферийных электронов. Теперь он становится положительным, так как отсутствие этого электрона образует дырку, пустоту. И он стремится заполнить ее, притягивая электрон от другого соседнего атома (рис. 119).

Рис. 119.В положительном полупроводнике дырка примесного трехвалентного атома заполнена электроном, пришедшим с отрицательной стороны. Это вновь создает дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, приходящим с соседнего атома, и т. д. На рисунке показаны последовательные фазы этого перемещения электронов, которые направляются к положительному полюсу, и дырки (представляющие собой положительный заряд), которые перемещаются к отрицательному полюсу.

Необходимо отметить, что все эти перемещения электронов происходят при приложении к полупроводнику разности потенциалов. В этот момент дырка в трехвалентном атоме заполняется электроном, пришедшим со стороны, в которой проложен отрицательный потенциал. В результате электрон приблизился к положительному концу полупроводника. Но в это же время дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному концу полупроводника. С этой стороны приходит другой электрон заполнить новую дырку, что приведет к возникновению дырки еще ближе к отрицательному концу полупроводника, и т. д.

Как видишь, благодаря трехвалентным примесям дырки, т. е. положительные заряды, перемещаются от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Такой полупроводник относится к типу р (положительному), а явление, столь же парадоксальное, как и в полупроводнике типа n, заключается в том, что атомы примеси становятся отрицательными, когда дополнительный электрон занимает место на их внешней оболочке. Эти атомы в отличие от доноров пятивалентных примесей называются