Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Многообразие устойчивых соединений углерода связано с тем, что у него на внешней орбите — четыре электрона и четыре свободных места, которые нужно заполнить для получения восьмерки (Р-78;3). Благодаря такой своеобразной симметрии на основе углерода рождаются изумительные архитектурные шедевры, к числу которых относятся и все молекулы живой природы. Самое прочное, самое устойчивое углеродное сооружение — кристалл алмаза. Здесь каждый атом углерода отдает четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них, по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который получает внешняя орбита, и тот, что она отдает, становятся общими для обоих атомов — отдающего и получающего. Поэтому на внешней орбите каждого атома вращается заветная восьмерка — четыре своих электрона и четыре соседних. Для простоты на Р-78;4 алмазоподобная структура показана на примере некоторого условного атома углеродного семейства, у которого одна только внешняя орбита с четырьмя электронами и четыре протона в ядре.

Существуют и другие химические элементы с четырьмя электронами на внешней орбите. К их числу относятся полупроводники германий и кремний (Р-78;3), атомы которых устанавливают такие же связи, как углерод в алмазе (четыре даю, четыре получаю), и образуют алмазоподобную кристаллическую структуру.

Т-128. Германий и кремний — полупроводники, в которых имеются свободные электроны и свободные положительные заряды (дырки). Электрические свойства того или иного материала часто оценивают так: вырезают из этого материала кубик со стороной 1 см и измеряют его электрическое сопротивление (Р-77; 1).

Р-77

Эту величину называют удельным сопротивлением (С-3, Т-35), единица его измерения — Ом/см (здесь отражено то, что сторона кубика 1 см). Удельное сопротивление нихрома, одного из самых скверных проводников, — 0,00011 Ом/см (серебра — почти в сто раз меньше). А удельное сопротивление бумаги, одного из самых скверных изоляторов, — примерно 100 000 000 Ом/см (фарфора — в миллион раз больше). Вещества, которые находятся в промежутке между этими самыми сопротивляющимися проводниками и самыми проводящими изоляторами, называют полупроводниками, хотя с таким же успехом их можно было бы называть и полуизоляторами.

Кристаллы германия и кремния тоже относятся к числу полупроводников: удельное сопротивление первого — примерно 50 Ом/см, второго — 1000000 Ом/см. При температуре абсолютного нуля (—273,2 °C) германий и кремний — идеальные изоляторы. Но как только температура несколько повышается, тут же из-за тепловых колебаний атомов с некоторых внешних орбит выскакивают электроны и уходят в межатомное пространство. Атомов, не сумевших удержать на месте свои электроны, относительно немного, иначе вместо полупроводника мы имели бы просто проводник. В германии, например, при комнатной температуре появляется лишь один свободный электрон на миллиард атомов, в кремнии свободных электронов во много раз меньше.

Под действием электрического напряжения свободные электроны, блуждающие в межатомном пространстве, сразу же включаются в электрический ток, упорядоченно смещаются от «минуса» к «плюсу». Как принято говорить, свободные электроны создают n-проводимость (n — первая буква слова negativus — отрицательный; этим словом подчеркивается, что ток создают свободные отрицательные заряды, электроны).

Выскочив на свободу, электрон превратил свой до этого нейтральный атом в положительный ион (Р-77;2) — раз в атоме не хватает электрона, значит, его суммарный положительный заряд больше отрицательного (Т-19). Такой атом сдвинуться с места не может, он прочно закреплен в кристаллической решетке. И долго, казалось бы, должен стоять на месте этот одинокий положительный ион, дожидаясь, пока какой-нибудь электрон-путешественник случайно наткнется на пустующее место во внешней орбите, вернет атом в состояние электрического равновесия.

И вот здесь на сцене появляется еще одно действующее лицо, которое так и хочется назвать электроном-перебежчиком. Это электрон из соседнего атома. Он быстро и легко перескакивает на пустующее рядом с ним место, превращает положительный ион в нейтральный атом, а свой собственный атом — в положительный ион. И если отвлечься от второстепенных подробностей, то можно считать, что произошло перемещение положительного иона, хотя все атомы и остались на месте.