По сравнению с лампами полупроводниковые приборы обладают высокой надежностью: срок их службы значительно больше.
Транзисторы также не столь прожорливы по сравнению с лампами: они довольствуются мощностью в сотню раз меньше той, которую потребляют электронные лампы.
И наконец, использование полупроводников позволило осуществить миниатюризацию и, я бы сказал даже, микроминиатюризацию электронного оборудования. В самом деле, объем транзисторов и других полупроводниковых приборов можно сделать очень маленьким. Стало возможным создание интегральных схем, представляющих собой комбинацию нескольких полупроводниковых приборов с резисторами и конденсаторами, где каждый из этих элементов имеет микроскопические размеры.
О микроэлектронике мы поговорим позднее. Сегодня же я хочу изложить тебе основы полупроводниковой электроники. Я надеюсь, Незнайкин, что ты ничего не забыл из моих объяснений о строении вещества. Я напомню тебе, что атом нейтрален, когда он имеет электронов столько же, сколько и протонов. Если количество электронов больше количества протонов, то он отрицательный. При обратном соотношении атом положительный.
Перемещаться могут лишь те электроны, которые находятся на внешней оболочке атома. Если эта оболочка в нормальных условиях содержит меньше четырех электронов, то они способны покинуть ее; в частности, их могут увлечь другие атомы, заряженные положительно. Поэтому вещества, атомы которых имеют на внешней оболочке меньше четырех электронов, представляют собой проводники. Высвобожденные электроны и образуют электрический ток.
Когда электрон покидает нейтральный атом, последний ионизируется положительно. Если внешняя оболочка содержит более четырех электронов, то они упорно отказываются ее покинуть. Вещество, не располагающее свободными электронами, представляет собой диэлектрик.
Наконец, существуют такие вещества, как кремний или германий, атомы которых имеют на внешней оболочке по четыре электрона. Это и не проводники, и не диэлектрики; такие вещества называют полупроводниками. Это название хорошо оправдано удельным электрическим сопротивлением этих веществ. Я напомню тебе, что этот термин обозначает сопротивление кубика вещества с ребром длиной 1 см.
Удельное электрическое сопротивление проводников составляет (1 — 100)·10-6 Ом. У полупроводников этот показатель находится в пределах от 0,01 до 1000 Ом, а у диэлектриков — от 10 до 106 МОм (удельное электрическое сопротивление кварца). Как видишь, полупроводники занимают место между проводниками и диэлектриками.
На чем основана собственная проводимость полупроводников? Очень просто, на тепловом движении их атомов. Молекулы находятся в беспорядочном движении, которое по мере повышения температуры усиливается. Так, в германии при температуре окружающей среды + 22 °C под воздействием движения молекул освобождаются два электрона на один миллиард атомов. Это, разумеется, не очень много, но вспомни, что 1 мг германия содержит 1026 атомов. Это означает, что в этом количестве содержится два миллиарда свободных электронов, создающих очень слабый ток, имеющий величину 10-9 А. С повышением температуры полупроводника этот ток усиливается. Этого, однако, следует избегать, потому что, как сейчас увидим, в полупроводниковых приборах используется не собственная проводимость, создаваемая тепловым движением. И в этом кроется причина более частого использования кремния, который менее германия чувствителен к повышению температуры: удельное электрическое сопротивление кремния изменяется значительно меньше, чем у германия.
Можно также повысить проводимость полупроводников, подвергая их атомы воздействию фотонов. Что такое фотон? Это частица света. По теории Луи де Бройля, световые лучи состоят одновременно из этих частиц и электромагнитных волн. Направь свет на пластинку селена и ты увидишь, что удельное электрическое сопротивление этого полупроводника снизится. Происходит это потому, что фотоны, сталкиваясь с атомами, вырывают периферийные электроны и делают их свободными, что вызывает движение электрического тока.
Так устроены фоторезисторы, служащие для преобразования световых колебаний в электрические сигналы. На их основе были созданы первые устройства для передачи изображений. Впоследствии удалось получать свободные электроны, выбивая их ударами фотонов с поверхности полупроводников, в частности кадмия. На этом принципе основаны фотоэлементы: полупроводниковые элементы помещают в вакуум, и высвобожденные электроны притягиваются с помощью положительного электрода (рис. 117). Эта конструкция, очевидно, напоминает тебе устройство диода.