Переводы и упражнения / 16A

Semiconductors

Some materials cannot be classified as either insulators or good conductors as (1) thermal agitation of the atoms (2) can knock loose only a few electrons and permit the material be slightly conductive. Such materials are known as semiconductors. (3) A small amount of the proper kind of impurity in the crystalline structure of a semiconductor may, however, make it enormously more conductive. A pure silicon crystal, in which each atom of silicon has a chemical valence 4, is connected with four of its neighbors by four electron bonds. This situation arises when one atom of silicon is replaced by an atom of arsenic (As) which has a valence of 5.

The impurities in the crystalline structure of a semiconductor make the semiconductor very conductive.

The four valence electrons of the As atom form connections (bonds) with the four neighboring Si atoms, while the fifth "black sheep" electron (5) is left unemployed and free to travel from place to place. The impurity atoms that give rise to free electrons in this way are known as donors. (6) A reverse situation occurs when the Si atom is replaced by a trivalent atom of boron (B). In this case there will be a vacant place, or an electron hole, that (7) breaks up the spotless regularity of the silicon (16) crystal lattice. The impurity atoms that give rise to such "holes" are known as acceptors. A hole formed near a foreign atom present in the lattice may be filled up by an electron originally belonging to one of the neighboring silicon atoms, but in filling this hole the electron will leave a hole at the place where it was originally located.

If this hole is filled by another neighboring electron, a new hole will move one step farther out.

Thus, we can visualize the hole of that type as an "object" that is moving through the crystal, carrying a deficiency of negative charge, or, what is the same, a positive electric charge. Semiconductors that contain donor atoms and free electrons are known as n-type semiconductors; while those with acceptor atoms and holes are called p-type semiconductors (n and p stand for a negative and positive charge of electric carriers). The electrical conductivity of n-type semiconductors (8) is determined by the number of free electrons per unit valence and the ease with which they move through the crystal lattice, while in the case of p-type semiconductors it depends on the number and mobility of the holes.

Crystal Rectifiers

Suppose now that we (9) put into contact two crystals: an n-type crystal containing free electrons and a p-type crystal containing electron holes. Some of the electrons from the n-region will diffuse into the p-region while some holes from this region will diffuse into the n-region. Thus the n-type crystal will become slightly positively charged while the p-type crystal will carry an equal negative charge. Between these opposite charges on both sides of the (10) interface (known as an (11) "n-p-junction") there will be an electric force of attraction which (12) will prevent further diffusion, and the situation will be stabilized with a certain number of holes in the n-type crystal and an equal number of electrons in the p-type crystal. It must be remembered, however, that when free electrons and electron holes exist side by side in a given material, they can be mutually "annihilated" by a free electron filling a hole. In order to compensate for the losses due to this annihilation process, a small number of electrons and holes will continue to diffuse in opposite directions through the n-p-junction.

Let us see what happens now if we (13) apply an electric voltage at the two ends of our crystal pair. If the positive pole of a battery is connected with the p-type crystal and the negative pole with the n-type crystal, there will be a force driving the holes to the right and the electrons to the left, and an electric current will begin to flow through the system. Since both crystals are now being invaded by holes and electrons crossing the border, the rate of mutual annihilation on both sides of the n-p-junction will increase considerably, and more holes and electrons will have to be produced on both sides. These new electrons for the n-type crystal will be supplied by electrons pouring through the wire from the negative pole of the battery, while new holes will be produced by electrons leaving the p-type crystal on their way to the positive pole of the battery.

If, on the other hand, we reverse the direction of the electric potential the situation will be quite different. Now the electrons and the holes will be pulled in opposite directions, (14) leaving a "no-man's land" at the n-p-junction. It is clear that under these conditions no current can flow through our double crystal. Thus we see that our device will conduct electric current in one direction but not in the opposite one. This property of (15) one-way electric conductivity of n-p-junctions permits us to use pairs of n-type and p-type crystals for rectifying alternating current instead of the more complicated electronic tubes.

1) Тепловое движение атомов;

2) может освободить несколько электронов;

3) небольшое количество определённой примеси;

4) для простоты;

5) остаётся незанятым;

6) обратное происходит;

7) нарушает безупречную правильность;

8) определяется той лёгкостью, с которой они перемещаются;

9) привести в соприкосновение;

10) граница раздела;

11) n-p-переход;

12) будет препятствовать дальнейшему рассеянию;

13) приложить электрическое поле;

14) оставляя никому не принадлежащую территорию;

15) однонаправленная проводимость;

16) кристаллическая решётка

Полупроводники

Некоторые материалы невозможно классифицировать ни как изоляторы, ни как хорошие проводники, поскольку тепловое движение атомов может освободить только несколько электронов и позволить материалу стать слегка проводящим. Такие материалы известны как полупроводники. Небольшое количество определённой примеси в кристаллической структуре полупроводника может, однако, сделать его намного более проводящим. Чистый кремниевый кристалл, в котором у каждого атома кремния химическая валентность 4, связан с четырьмя из своих соседей четырьмя электронными связями. Эта ситуация возникает, когда один атом кремния заменяется атомом мышьяка, который имеет валентность 5.

Примеси в кристаллической структуре полупроводника делают его очень проводящим.

Четыре валентных электрона атома As образуют связи с четырьмя соседними атомами Si, в то время как пятый электрон, "белая ворона", остаётся незанятым и свободным и перемещается с места на место. Примесные атомы, которые вызывают появление свободных электронов таким способом, называются донорами. Обратная ситуация происходит, когда атом Si заменяется трёхвалентным атомом бора. В этом случае будет свободное место, или электронная дырка, которая нарушает безупречную правильность кремниевой кристаллической решётки. Атомы примеси, которые дают начало таким "дыркам", называются акцепторами. Дырка, образовавшаяся около чужеродного атома, находящегося в решётке, может быть заполнена электроном, первоначально принадлежавшем одному из соседних атомов кремния; но при заполнении этой дыры электрон оставит дырку в том месте, где он первоначально располагался.

Если эта дырка будет занята другим соседним электроном, то новая дырка переместится на один шаг дальше.

Таким образом, мы можем наглядно представить дырку того типа как "объект", перемещающийся по кристаллу, несущий недостаток отрицательного заряда, или, что то же самое, положительный электрический заряд. Полупроводники, которые содержат донорные атомы и свободные электроны, известны как полупроводники n-типа; в то время как полупроводники с акцепторными атомами и дырами называются полупроводниками p-типа (n и p относятся к отрицательному и положительному заряду электрических носителей). Электрическая проводимость полупроводников n-типа определяется числом свободных электронов на единицу валентности и той лёгкостью, с которой они перемещаются сквозь кристаллическую решётку, в то время как в случае полупроводников p-типа она зависит от числа и подвижности дырок.

Полупроводниковые диоды (= выпрямители на кристаллах)

Предположим теперь, что мы приведём в соприкосновение два кристалла: кристалл n-типа, содержащий свободные электроны, и кристалл p-типа, содержащий электронные дырки. Некоторые электроны из n-области проникнут в p-область, в то время как некоторые дырки из этой области проникнут в n-область. Таким образом, кристалл n-типа станет слегка положительно заряженным, в то время как кристалл p-типа будет нести равный отрицательный заряд. Между этими противоположными зарядами по обеим сторонам границы раздела (известной как "n-p-переход") образуется электрическая сила притяжения, которая будет препятствовать дальнейшему рассеянию, и ситуация будет стабилизирована определённым числом дырок в кристалле n-типа и равным числом электронов в кристалле p-типа. Нужно помнить, однако, что, когда свободные электроны и электронные дырки сосуществуют рядом в данном материале, они могут взаимно "уничтожиться" свободным электроном, заполняющим дырку. Для того чтобы компенсировать потери вследствие этого процесса аннигиляции, небольшое количество электронов и дырок продолжит распространяться в противоположных направлениях через n-p-переход.

Давайте посмотрим, что произойдёт теперь, если мы приложим электрическое напряжение между двумя концами нашей кристаллической пары. Если положительный полюс батареи соединён с кристаллом p-типа, а отрицательным полюс с кристаллом n-типа, то возникает сила, увлекающая дырки вправо, а электроны влево, и электрический ток начнёт течь через систему. Поскольку в оба кристалла теперь вторгаются дырки и электроны, пересекающие границу, то уровень взаимного уничтожения с обеих сторон n-p-перехода значительно увеличится, и больше дыр и электронов должны будут быть произведены с обеих сторон. Эти новые электроны для кристалла n-типа будут поставляться электронами, льющимися через провод от отрицательного полюса батареи, в то время как новые дырки будут производиться электронами, покидающими кристалл p-типа, по пути к положительному полюсу батареи.

Если, с другой стороны, мы поменяем направление электрического потенциала, то ситуация станет совершено иной. Теперь электроны и дыры потянутся в противоположных направлениях, оставляя никому не принадлежащую территорию в n-p-переходе. Ясно, что при этих условиях никакой ток не сможет течь через наш двойной кристалл. Таким образом, мы видим, что наше устройство будет проводить электрический ток в одном направлении, но не в противоположном. Это свойство однонаправленной электропроводимости n-p-переходов позволяет нам использовать пары кристаллов n- и p-типа для выпрямления переменного тока, вместо более сложных электронных ламп.

HomeWork

№1

1. The magnetic field controls the movement of the particles making them travel along a single track. – Магнитное поле регулирует (контролирует) движение частиц, заставляя их пере­мещаться по одной траектории.

2. We know gravity to act on every particle of a body so that its weight is actually distributed throughout the body. – Мы знаем, что сила гравитационного притяжения действует на каждую частицу тела таким образом, что его вес фактически распределяется по всему телу.

3. It is possible, however, for the two electrons to occupy the same region if they are an antiparallel pair. – Однако возможно, что два электрона могут занимать одну и ту же область, если они образуют антипараллельную пару.

4. Light striking one side of the photocathode causes photoelectron to be ejected from the other side into the vacuum. – Свет, падающий на одну сторону фотокатода, заставляет фотоэлектрон выбрасываться (вылетать) с другой стороны в вакуум.

5. Judging by this trend we can expect the laser to play an important role in the communication systems of the future. – Судя по этой тенденции, мы можем ожидать, что лазер будет играть важную роль в системах связи будущего.

6. In solids molecules have fixed lattice sites but their thermal motion causes them to vibrate around these equilibrium positions. – В твёрдых телах молекулы имеют фиксированные места в решётке, но их тепловое движение заставляет их колебаться вокруг этих положений равновесия.

7. For such forces to be effective, matter must be compressed until it approaches the density of matter within an atomic nucleus. – Для того чтобы такие силы были эффективны, вещество должно быть сжато до тех пор, пока оно не достигнет плотности вещества в пределах атомного ядра.

8. It is also possible for the annihilation of an electron-positron pair to give rise to hadron. – Также возможно, что аннигиляция электрон-позитронной пары может привести к образованию адрона.

№2

1. Мы знаем, что они использовали новый источник информации. – We know them to have used a new information source.

2. Я полагаю, что они проведут всесторонний анализ этого процесса. – I believe them to conduct a comprehensive analysis of this process.

3. Для того чтобы это произошло, температура должна быть достаточно высокой. – For this to occur, the temperature must be high enough.

4. Мы заставили его решить это уравнение. – We made him solve this equation. = We caused him to solve this equation.