Лайнус Полинг, Питер Полинг - Химия
Химия германия, элемента довольно редкого, подобна химии кремния. Большинство соединений германия соответствуют степени окисления +4; примерами могут служить тетрахлорид германия GeCl4, бесцветная жидкость с т. кип. 83 °C, и двуокись германия GeO2 — бесцветное кристаллическое вещество, плавящееся при 1086 °C.
Соединения германия еще мало используют. Сам же элемент (металлоид серого цвета) в настоящее время широко применяют в электронных устройствах.
Электрические свойства монокристалла германия (или кремния) резко изменяются при сплавлении элемента с очень небольшими количествами других элементов. Подобные эффекты, объясняемые в последующих разделах, лежат в основе работы полупроводниковых узлов, транзисторов и интегрирующих схем.
Электропроводность чистого германия при очень низких температурах приближается к нулю. Кристалл германия, подобно кристаллу алмаза, имеет атомы с координационным числом 4 и по паре электронов на каждую связь. Это можно представить двумерной схемой
Электроны локализованы вблизи связей и не могут свободно передвигаться при наложении электрического поля. При повышенных температурах один электрон может перейти на возбужденную орбиталь (например, на 5s-орбиталь), а другой электрон останется на связи, там, где должны были бы находиться два электрона
Такой электрон, оставшийся на связи между двумя атомами германия, каждый из которых имеет положительный заряд Ge+·−Ge+, называется дыркой. Дырка может вносить свой вклад в электропроводность в том случае, если к ней переместится электрон с ближайшей связи в результате последовательного передвижения
Промотированный электрон также вносит свой вклад в электропроводность; он движется в направлении противоположном, нежели дырка.
Кристалл германия, содержащий некоторое количество атомов мышьяка (германий с присадкой мышьяка), имеет дополнительные электроны на возбужденных орбиталях, поскольку каждый атом мышьяка вкладывает не только четыре электрона, необходимых для образования тетраэдрических связей, но также и пятый электрон. Такой кристалл имеет более высокую электропроводность, чем чистый германий; это электропроводность n-типа (осуществляемая отрицательными электронами).
Кристалл, содержащий некоторое количество атомов алюминия (из которых каждый дает только три валентных электрона), имеет для каждого атома алюминия дырку в наборе связывающих электронных пар; такой кристалл обладает проводимостью p-типа (осуществляемой положительными дырками, которые, естественно, перемещаются в направлении, противоположном перескоку к ним электронов с ближайших связей).
Выпрямитель с электронно-дырочным переходом (p—n-переходом) конструируют таким образом, что p- и n-кристаллы находятся в контакте между собой (рис. 18.8). Противоположные концы кристаллов соединены с металлическими пластинами, служащими вводом. При наложении потенциала, вызывающего передвижение как дырок, так и электронов в направлении контакта между кристаллами, дырки или электроны легко переходят к соответствующим металлическим пластинам через место контакта (между кристаллами) и обеспечивают непрерывный электрический ток. Однако если потенциал приложить в обратном направлении, то дырки и электроны будут перемещаться от плоскости контакта между кристаллами (нижняя схема рис. 18.8). Новые дырки быстро образоваться не могут, так же как и электроны не могут проникать через контакт между кристаллами, — для этого процесса энергию электрона необходимо повысить от связывающей орбитали (для германия от тетраэдрической гибридной 4s4p3-орбитали) до возбужденной 5s-орбитали, а скорость такого процесса определяется температурой (экспоненциальный фактор Аррениуса для скорости реакции; разд. 10.4). Вследствие этого область вблизи контакта между кристаллами оказывается без носителей электричества и ток прекращается.
Транзистор с n—p—n-переходом можно изготовить, помещая между двумя n-кристаллами p-кристалл и конструируя вводы таким образом, чтобы один налагаемый потенциал снижал или повышал поступление носителей тока для другого потенциала. Таким образом, ток в одном контуре может вызывать пропорциональный ток в другом контуре на более высоком энергетическом уровне.
Рис. 18.8. Схема выпрямителя с p—n-переходом.