По электрической терминологии различие между металлом и неметал­лом состоит в том, что металл может проводить электричество, т. е. позво­ляет электронам «течь» через свою структуру. Металлы показаны в ле­вой стороне неполной периодической таблицы на рисунке 1, все проводят электричество (и также теплоту) очень хорошо. Это происходит потому, что электроны на их внешних орбитах (орбитах валентности) покидают атом и свободно «странствуют» по решет­чатой структуре из атомов. Когда раз­ность потенциалов (или температур­ный градиент) прилагается к металлу, то неисчислимое множество свободных электронов обеспечивает проводи­мость электричества (или теплоты).

Неметаллы (или непроводники) пока­заны в правой стороне периодической таблицы (см. рис. 1). Они обычно представляют собой отдельные моле­кулы без слабо удерживаемых элект­ронов и, следовательно, не проводят электричество (или теплоту). Не все элементы могут быть так легко клас­сифицированы, как металлы (провод­ники) или неметаллы (изоляторы). Есть некоторое число элементов с ре­шетками, похожими на металлические, в которых электроны не полностью свободны для перемещения. Эти эле­менты называются металлоидами и занимают место между элемента­ми, которые являются несомненными металлами, и элементами, которые являются несомненными неметалла­ми. На рисунке 1 они затенены. Из них кремний (Si) и германий (Ge) применяются в качестве полупровод­ников, поскольку их металлоидный ха­рактер наиболее выражен при комнат­ной температуре.

Как и следует из названия, полу­проводник имеет некоторое число электронов в своей решетке (это должен быть кристалл), которые более жестко удерживаются, чем в металле, но ме­нее жестко, чем в неметалле. Повы­шение температуры полупроводника является причиной того, что электроны как бы стряхиваются со своих атомов, и поэтому проводимость полупровод­ника увеличивается. В холодном со­стоянии полупроводники не имеют сво­бодных электронов, которые действо­вали бы как носители заряда, но при комнатной температуре некоторое чис­ло электронов высвобождается, и по­этому может иметь место слабая про­водимость электричества.

Атом кремния состоит из ядра, со­держащего четырнадцать протонов и четырнадцать нейтронов и окружен­ного облаком из четырнадцати элект­ронов. На рисунке 2, а представ­лены четырнадцать электронов, кото­рые распределены по трем орбитам, на них находятся соответственно два, восемь и четыре электрона. Стабиль­ность элемента зависит от числа элек­тронов на внешней орбите, наиболее стабильные структуры имеют восемь внешних электронов. Кремний имеет четыре внешних электрона на своей валентной орбите (рис. 2, б). Этот атом должен приобрести еще четыре электрона, чтобы достичь другой наи­более стабильной структуры. На ри­сунке 2, в показана упрощенная схема атома кремния, который окру­жен четырьмя другими атомами. Каж­дый из четырех окружающих атомов делится одним электроном с атомом в центре, который, таким образом, ока­зывается обладателем стабильной внешней орбиты с восемью электрона­ми. Каждый из четырех исходных элек­тронов образует то, что называется ковалентной связью с одним электро­ном окружающего атома. Поэтому все внешние валентные электроны чистого кремния в своих атомах соединены ковалентными связями; свободные электроны отсутствуют, и поэтому чистый кремний является хорошим изолятором. Слабое повышение темпе­ратуры, однако, «рвет» некоторые из связей, увеличивая кинетическую энер­гию электронов, пока они не наберут достаточно энергии, чтобы оторваться. Эти электроны могут двигаться сво­бодно и создавать электрический ток.

Полупроводники p-типа и n-типа

Другим способом повышения про­водимости кремния является добавле­ние мельчайших, но тщательно конт­ролируемых доз (например, 1 часть на 10¹²) примесей. Это называется присадкой, и природа присадочного элемента определяет, становится крем­ний полупроводником р-типа (положи­тельным типом) или полупроводником n-типа (отрицательным типом). Эле­менты, которые имеют три валентных электрона на внешних орбитах атомов, например алюминий, бор, галлий или индий, придают кремнию свойства р-типа. Эти атомы, которые не дают электрон для ковалентной связи, на­зываются акцепторными атомами. Ак­цепторный атом, показанный на ри­сунке 32.3, а, имеет семь электронов на своей внешней орбите. Если про­межуток, или «дырка», заполнен од­ним электроном, то структура этбй орбиты становится стабильной. Эта положительная «дырка» с готовностью принимает электроны, которые пере­двигаются в кремнии. Электроны, од­нако, движутся от атома к атому, и электрон, который входит в «дырку», должен оставить «дырку» в атоме, от которого он приходит. Поэтому ка­жется, что положительная «дырка» движется по материалу в направле­нии, противоположном движению электронов.

Примечание.

Хотя положительная «дырка» на самом деле не существует, она является удобной моделью для этого уровня обучения. Можно про­вести аналогию с рядом из десяти стульев, на которых сидит девять де­тей, причем один стул остается неза­нятым, скажем, с правого конца ряда. Если ребенок, сидящий рядом с пус­тым стулом, садится на него, то ка­жется, что пустой стул передвинулся на одно место влево. Если теперь каж­дый ребенок по очереди передвинется вправо и займет пустой стул, то пустой стул в конце концов окажется на ле­вом краю ряда. В этом случае дети представляют электроны, а пустой стул — «дырку».

Элементы, которые имеют пять электронов на внешних орбитах их атомов, например фосфор, мышьяк или сурьма, придают кремнию каче ства л-типа. Эти атомы называются донорскими атомами, и каждый из них образует ковалентные связи с четырь­мя окружающими атомами кремния. Один из внешних электронов донор­ского атома удерживается протонами ядра очень слабо (рис. 3, б). Этот электрон может быть легко отделен нагреванием, или малой разностью по­тенциалов, приложенной к кремнию.

Атомы примеси увеличивают про­водимость кремния, обедпечивая боль­шинство носителей положительных за­рядов («дырок») в кремнии р-типа и большинство носителей отрицатель­ных зарядов (электронов) в кремнии «-типа. Следует подчеркнуть, что кремний и p-типа, и n-типа электри­чески нейтрален. Каждый атом крем­ния или примеси имеет равное число электронов и протонов и поэтому элек­трически нейтрален. Вместе с тем «при­саживаемый» материал обладает спо­собностью легко принимать электроны от определенных окружающих атомов или легко высвобождать электроны для атомов полупроводника.

Примечание.

Распространенной ошибкой является рассмотрение ма­териала p-типа как «положительно за­ряженного», а материала п-типа как «отрицательно заряженного