Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Наш путь к транзистору проходит через многие области науки. В каждой из них, как в самостоятельной стране, есть свой язык, свои обычаи и законы, свои достопримечательности. И если мы хотим с минимальными потерями времени и сил прийти к своей конечной цели, то не должны, как это ни печально, подробно знакомиться с каждой встречной страной. Вот почему, отказавшись от знакомства с современными представлениями о строении атома, мы будем пользоваться его упрощенной планетарной моделью. Она нужна нам для того, чтобы показать, как атомы соединяются друг с другом.

Прежде всего отметим, что электронные орбиты располагаются не где угодно, а лишь на определенных расстояниях от ядра. И количество электронов на той или иной орбите тоже строго ограничено — таковы непоколебимые законы атомной архитектуры. На первой орбите- счет идет от ядра — может находиться не больше двух электронов. (Фактически следовало бы говорить о первом слое орбит, о двух очень близких орбитах. Но раз уж мы пошли на упрощения, то представим себе, что оба электрона вращаются по одному и тому же кругу.) На второй орбите не может быть больше восьми электронов, на третьей — не больше восемнадцати, и так далее.

Нас сейчас будет интересовать только последняя, внешняя орбита. Во-первых, потому, что именно внешние электроны участвуют в соединении атомов. Во-вторых, именно внешние электроны, сорвавшись со своих орбит, включаются в электрический ток. И, как вы увидите чуть дальше, именно события, происходящие на внешних орбитах некоторых атомов, используются в транзисторах при усилении слабых сигналов.

Число электронов на внешней орбите тоже ограничено: ни в одном атоме их не может быть больше восьми. Причем атом всегда стремится, чтобы его внешняя орбита была полностью заселена, чтобы число электронов на ней было доведено до максимума, то есть до восьми. Либо — пусть лучше будет так — чтобы этих электронов не было вообще. Вот почему, если у какого-нибудь атома на внешней орбите мало электронов, то он стремится их отдать. А если электронов много и нужно лишь чуть-чуть потрудиться, чтобы довести их количество до восьми, то атом стремится притянуть к себе чужой электрон, причем желательно вместе с его атомом.

Но зачем же, спросите вы, тащить к себе электроны вместе с атомами (это все равно, что принести домой пирожное вместе с прилавком магазина), если вокруг довольно часто бегают свободные, сорвавшиеся со своих орбит электроны?

А дело в том, что для атома нет смысла сажать к себе на орбиту свободный электрон. Во-первых, он не сядет, а если даже сядет, то все равно долго не усидит. Ведь атом в целом электрически нейтральная система — общий отрицательный заряд его электронов уравновешивается суммарным положительным зарядом ядра. Поэтому электрические силы, несмотря на желание атома иметь заполненную внешнюю орбиту, вытолкнут попавший туда свободный электрон с его лишним отрицательным зарядом.

Другое дело, если пустующее место на внешней орбите займет электрон, вращающийся одновременно по своей собственной орбите в своем собственном атоме. В этом случае возникает некая объединенная орбита, охватывающая оба атома. И они будут прочно соединены этим теперь уже общим, бегающим по объединенной орбите электроном. Причем такое объединение не встретит противодействия электрических сил ни одного из атомов, потому что число электронов в каждом из них осталось без изменений и электрическое равновесие атомов не нарушилось.

ПРИМЕЧАНИЕ. Здесь, пожалуй, чаще, чем в других местах книги, рассказывая об атомах, электронах и других физических объектах, мы применяем такие, например, выражения, как «электрон стремится», «для атома нет смысла», «ядро не хочет», «заряды бегают». Разумеется, все, в том числе и автор, понимают, что ни о каком беге электронов или желаниях атомного ядра в действительности не может быть и речи. Автор позволяет себе столь свободное обращение с житейскими, бытовыми понятиями только лишь из боязни выпустить на эти страницы огромное количество слов и символов, которое необходимо для достаточно аккуратного, достаточно строгого изложения сути дела.

Итак, объединенные орбиты — это своего рода нити, сшивающие атомы между собой (рис. 9). И именно со способностью создавать разнообразные и устойчивые объединенные орбиты связано исключительное многообразие, например, углеродистых соединений. Дело в том, что на внешней орбите атома углерода — четыре электрона и четыре свободных места. А это является хорошей предпосылкой для прочного соединения атомов углерода друг с другом и с такими распространенными элементами, как водород и кислород. При этом возникают симметричные и, главное, устойчивые пространственные конструкции.

Рис. 9. Создавая объединенные орбиты, внешние электроны связывают атомы друг с другом.

Один из таких архитектурных шедевров — кристаллическая решетка алмаза, в которой каждый атом углерода отдает свои четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них — по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который отдается, и тот, который берется, становятся общими для того, кто дает, и для того, кто берет. Поэтому на внешней орбите атома оказывается восемь электронов (полностью заселенная орбита), и все они прочно связывают этот атом с его четырьмя соседями. Так и возникает красивая и исключительно прочная кристаллическая решетка алмаза — решетка алмазного типа.

Кроме углерода, есть еще несколько элементов с четырьмя электронами, а значит, и с четырьмя вакантными местами на внешней орбите. Два таких элемента — германий и кремний — интересуют нас больше всего. Оба они образуют кристаллическую решетку алмазного типа, оба по своим электрическим свойствам являются полупроводниками. Как это ни странно, но, продвинувшись уже довольно далеко на пути к полупроводниковому триоду, мы только сейчас получили возможность выяснить, что же такое полупроводник.

Уже говорилось, что электрическое сопротивление того или иного элемента электрической цепи, а значит, и вещества, из которого этот элемент сделан, зависит от количества свободных электрических зарядов в нем. Еще очень давно все вещества по их электрическим свойствам разделили на две группы: проводники (металлы, целый ряд растворов, газы в определенном состоянии) и изоляторы, или диэлектрики (стекло, резина, дерево и масса других веществ). Такое деление, разумеется, не отражает многих сложных процессов, с которыми связано появление свободных электрических зарядов. И все же, рассматривая атом в упрощенном виде, попытаемся выяснить, чем проводники отличаются от изоляторов.

Главная особенность всякого твердого проводника состоит в том, что у огромного числа его атомов электроны убежали (см. примечание на стр. 26) с внешних орбит и гуляют в межатомном пространстве. Обычно электроны легче всего срываются с внешней орбиты в том случае, когда их на этой орбите мало. У атомов таких прекрасных проводников, как медь и серебро, на внешней орбите всего по одному электрону, у цинка и ртути — по два, у атомов алюминия — три электрона.

Атомы изолятора, напротив, очень устойчивы. Электроны в них прочно связаны с ядром и своих орбит не покидают. Конечно, нет правил без исключения. Бывает, что и в изоляторе какой-нибудь электрон нарушит дисциплину и сорвется со своей орбиты. В разных изоляторах среднее число таких нарушений неодинаково — изоляторы бывают хорошими и плохими, а идеальных изоляторов вообще нет.

Выскакивание электронов из атома — это результат его тепловых колебаний. Чем выше температура, тем энергичнее колеблется атом на своем месте в кристаллической решетке, тем больше вероятность выскакивания его электронов с внешней орбиты. Лишь при температуре абсолютного нуля (—273,2 °C) тепловые колебания атомов полностью прекращаются, и в любом изоляторе, даже в самом плохом, вообще не оказывается свободных зарядов.

Для того чтобы не пользоваться такими расплывчатыми понятиями, как «хороший» и «плохой», можно организовать точный учет электронов, которые, срываясь со своих орбит, блуждают в межатомном пространстве изолятора.

Вырежем из проверяемого изоляционного материала кубик со стороной 1 см, подведем к нему напряжение в 1 в и будем измерять ток в созданной нами электрической цепи (рис. 10).

Рис. 10. Проводники, полупроводники и изоляторы в основном различаются количеством и подвижностью свободных электрических зарядов.

Если кубик сделан из идеального изолятора, в котором ни один электрон не покидает своей орбиты, то свободных зарядов в кубике не будет, а значит, не будет и тока в цепи. В цепи, куда включен реальный изолятор, ток обязательно появится, и чем хуже изоляционные свойства кубика, чем больше в нем электронов-нарушителей, тем больше этот ток.