18. 1. Полупроводниковые свойства германия и кремния

Проводимость полупроводниковых материалов лежит между проводимостью изоляторов и проводников. Чисты­ми полупроводниковыми элементами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Наиболее подходят для при­менения в электронике германий и кремний.

Германий — это хрупкий серовато-белый элемент, от­крытый в 1886 году. Порошкообразную двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля. Из этого порош­ка получают твердый чистый германий.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распрос­транен в земной коре в виде белого или иногда бесцветно­го соединения — двуокиси кремния. Двуокисью кремния богат песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводни­ковым материалом.

Ядр<

Электрон

Рис. 19-1. Атомная структура кремния.

14 Электронов на орбитах

Полупроводниковый материал после получения должен быть моди­фицирован, чтобы он приобрел каче­ства, необходимые для полупровод­никовых устройств.

Рис. 19-2. Упрощенная схема атома кремния, на которой показаны только валентные элект­роны.

Как описано в главе 1, в центре атома находится ядро, которое со­держит протоны и нейтроны. Прото­ны имеют положительный заряд, а нейтроны заряда не имеют. Электро­ны движутся по орбитам вокруг ядра и имеют отрицательный заряд. На рис. 19-1 показана структура атома кремния. Первая орбита содержит два электрона, вторая орбита восемь, а внешняя орбита или валентная оболочка содержит четыре электрона. Валент­ность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома. На рис. 19-2 показана упро­щенная схема атома кремния, на которой изображено толь­ко четыре электрона на валентной оболочке.

Материалы, которым необходимы электроны для запол­нения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить элект­роны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется кова­лентной связью (рис. 19-3). Ковалентная связь — это про­цесс совместного использования валентных электронов раз­личными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый атом в такой кристаллической структуре име­ет четыре своих собственных электрона и четыре совмест­но используемых электрона от четырех других атомов, а всего — восемь валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать элект­рическую активность.

Рис. 19-3. Кристал­лическая структура кремния с ковалент­ными связями.

При комнатной температуре кристаллы чистого крем­ния являются плохими проводниками. Они ведут себя, как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалент­ную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводниковым матери­алам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в два раза при каждом повышении температуры на

5. градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет четыре электрона на валентной оболочке и может образовывать кристалличес­кую структуру. Сопротивление германия падает в два раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цель­сия. Таким образом, германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в тысячу раз большее сопро­тивление, чем германий.

Тепло при работе с полупроводниками является потен­циальным источником трудностей, который нелегко под­

дается контролю. Правильный расчет цепи минимизиру­ет влияние изменений температуры. Высокое сопротивле­ние — вот что дает преимущество кремнию перед германи­ем в большинстве цепей. В тех цепях, где температурный коэффициент сопротивления германия имеет преимущество, используется германий.

Все первые транзисторы были сделаны из германия. Кремниевых транзисторов не было до 1954 года. В настоя­щее время в большинстве случаев используются кремние­вые полупроводниковые приборы.