Структура алмаза

Алмаз — тоже изолирующий кристалл. Мы говорили ранее, что электроны в алмазах движутся по всему кристаллу и не связаны с каким-нибудь определенным атомом, как в других изоляторах. Могут ли эти электроны, перемещаясь по кристаллу, быть носителями электрического тока? Оказывается, не могут. Несомненно, движущиеся электроны представляют собой ток. Но каждая связь в алмазе содержит два электрона, которые одновременно приходят и уходят, двигаясь в противоположных направлениях. Таким образом, все токи полностью компенсируют, «гасят» друг друга. Если мы поместим алмаз в электрическое поле, которое стремится перемещать электроны вправо, как мы делали при рассмотрении поведения электронов в металле, то поле почти не будет оказывать влияния на электроны в алмазе. Электроны хотели бы двигаться вправо, как в металле, но ни один электрон в каждой связи не может переместиться вправо, если часть электронов не переместится влево.

Вся структура алмаза подобна одной гигантской молекуле. Все связи между атомами заполнены, или, как принято говорить, насыщены. Это означает просто, что больше ни один электрон не может участвовать в тех движениях по орбитам, которые обусловливают сцепление атомов кристалла воедино. Точно так же можно сказать, что восемь электронов во внешней оболочке неона Ne или иона хлора Cl насыщают эту оболочку. Это значит, что для ‘электронов существует только восемь мало отличающихся друг от друга способов участвовать в движении по орбитам, относящимся к одной электронной оболочке атома. Подобным же образом в алмазе в каждой связи между атомами углерода существуют только два способа для двух электронов отличаться друг от друга и участвовать в данной связи. Это насыщение является другим выражением уже известного нам принципа «неодинаковости».

Хотя мы и не считаем, что просмотр журналов мод или наблюдение за модницами может служить источником строгой научной мысли, тем не менее можно усмотреть в поведении модниц аналогию проявлению принципа «неодинаковости» для электронов. Допустим, что все эти дамы договорились друг с другом (на самом деле это было бы для них в отличие от электронов непосильной задачей) насчет того, насколько разнообразными должны быть фасоны их шляпок. Допустим, они пришли к соглашению, что для минимально необходимого разнообразия в части фасонов шляпок в каждом квартале города одновременно могут находиться самое большее две дамы в одинаковых шляпках, иначе требования хорошего тона будут нарушены. (Конечно, им придется идти по противоположным сторонам улицы.) При очень небольшом числе дам в одинаковых шляпках в районе расположения магазинов каждая из них в течение большей части дня могла бы ходить, где ей угодно, не опасаясь уронить свое достоинство встречей с другой дамой в такой же шляпке. Но чем больше дам в таких шляпках будет направляться в центр города за покупками, тем больше им придется остерегаться встречи с другой дамой в шляпке па одной стороне улицы. В конце концов, из-за появления все большего числа дам в одинаковых шляпках должен наступить момент, когда в торговой части города в каждом квартале по каждой стороне улицы будет идти одна дама в такой шляпке. Подобное положение любая женщина сочла бы пределом дозволенного (в физических явлениях при этом говорят о «насыщении»).

Обратите внимание на последствия такого насыщения. Одна из дам хотела бы свернуть с улицы, по которой она идет, и пойти по другой. Но и на той улице число дам в одинаковых шляпках уже достигло дозволенного предела, и, хотя дама хочет отличаться от остальных, она не может никуда свернуть! В алмазах электроны не могут двигаться в направлении, в котором их заставляет двигаться электрическое поле, поскольку каждый должен отличаться в своем поведении от всех остальных.

Впрочем, для решительной и находчивой дамы есть выход. Она может взять такси и поехать, куда пожелает, сохраняя при этом свое достоинство и оригинальность своего туалета. В атом с замкнутой оболочкой из восьми электронов можно ввести еще один электрон, при условии, что он будет находиться на другой орбите или в другой оболочке. В алмазе можно удалить (правда, с трудом) электрон из какой-либо связи и перевести в другой атом, но он при этом не сможет участвовать в образовании связей вместе с другими электронами. Он также свободно может перемещаться по кристаллу, как дама в такси разъезжать по центру города. Этот избыточный электрон может обусловливать электропроводность. Однако в нормальном состоянии в алмазе избыточных электронов нет, поэтому алмаз является изолятором.

В кремнии и германии этот же процесс совершается легче. Чтобы удалить электрон из связи и пустить его «странствовать» по кристаллу, требуется значительно меньше энергии. На самом деле, необходимая энергия часто может быть обусловлена колебательным движением атомов в кристалле. Чистые кремний и германий не являются такими хорошими проводниками, как металлы, а представляют собой полупроводники. При более высоких температурах колебания атомов усиливаются и возрастает число электронов, которые отрываются от связей и, освободившись, становятся носителями тока. Чем выше температура, тем лучше проводимость, то есть тем меньше электрическое сопротивление кремния и германия. В металлах, например в меди, дело обстоит как раз наоборот. При более высоких температурах атомы действительно колеблются сильнее, но в металле все без исключения внешние электроны уже оказываются носителями тока. Колебательное движение атомов обусловливает лишь рассеяние электронов и, таким образом, увеличивает сопротивление.

Есть еще один способ сделать кремний и германий проводниками. При выращивании этих кристаллов в их решетку вместо какого-нибудь атома германия или кремния могут быть включены атомы некоторых соседних элементов периодической системы элементов Менделеева. При внедрении, скажем, в кристалл кремния атома фосфора Р, у которого не четыре, а пять внешних электронов, четыре электрона образуют связи с окружающими атомами кремния, а пятый оказывается почти совершенно свободным и может «бродить» по кристаллу.

Избыточный электрон, движущийся вокруг своего атома фосфора, оставаясь вдали от него. Он настолько слабо связан, что под действием какой-либо небольшой силы или колебания какого-нибудь атома может стать свободным и начать странствовать по всему объему кристалла. Если же включить в кристалл кремния атом алюминия, у которого три внешних электрона, то, напротив, будет недостаток электронов: некоторые связи содержали бы только по одному электрону. А при переходе электрона из сосед-ней в эту ненасыщенную связь какая-нибудь другая связь окажется только наполовину заполненной. Так, незаполненная связь может перемещаться от атома к атому. Физики называют движение наполовину заполненных связей током положительных «дырок». Кажущееся движение этих дырок, так же как и движение электронов, равносильно протеканию электрического тока. Германий и кремний можно, таким образом, сделать более проводящими путем нагревания или добавления к ним некоторых примесей.

В настоящее время во всех странах изготовляются и используются германиевые и кремниевые диоды, транзисторы и другие полупроводниковые электронные устройства. Это достаточно убедительно свидетельствует о значении электропроводности этих материалов. Химики, физики и инженеры-электрики научились вводить в эти кристаллы примеси. Благодаря этим примесям появляются избыточные электроны, которые обусловливают прохождение электрического тока, или возникает определенное количество незаполненных связей, способных захватывать электроны и таким путем останавливать электрический ток. Комбинируя такие кристаллы кремния и германия с различными примесями, можно изготовлять разнообразные электронные приборы, позволяющие быстро и легко управлять прохождением электрического тока. Современная электронная промышленность многим обязана этому особому виду вечного движения.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru