Текст книги "Транзистор?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Annotation

Книга содержит четырнадцать занимательных бесед, написанных в форме разговора между двумя действующими лицами.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

Айсберг Евгений Давыдович

Предисловие к русскому изданию

Предисловие автора

Действующие лица

Беседа первая

Беседа вторая

Беседа третья

Беседа четвертая

Беседа пятая

Беседа шестая

Беседа седьмая

Беседа восьмая

Беседа девятая

Два письма

Беседа десятая

Беседа одиннадцатая

Беседа двенадцатая

Беседа тринадцатая

Беседа четырнадцатая

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Айсберг Евгений Давыдович

«Транзистор?.. Это очень просто!»

_{Издание четвертое, переработанное}

Предисловие к русскому изданию

Эта книга относится к серии популярных изданий Е. Айсберга, вышедших во Франции под названием «…Это очень просто!» Она написана в таком же стиле, как и другие его книги: «Радио?.. Это очень просто!», «Телевидение?.. Это очень просто!», «Радио и телевидение?.. Это очень просто!», уже знакомые нашим читателям. Как и в предыдущих книгах, редакция старалась сохранить своеобразие французского издания, формат книги и манеру верстки.

Книга знакомит читателей с важной областью электроники – полупроводниковыми приборами, нашедшими в настоящее время широкое применение.

Сложные физические процессы в полупроводниках изложены автором в весьма доступной форме для читателя, не имеющего специальной подготовки.

Книга посвящена транзисторам – наиболее важным из полупроводниковых приборов. Она поможет радиолюбителю понять принципы их действия, познакомит его с использованием транзисторов в различных схемах и в конечном счете позволит читателю вести практическую работу с транзисторами.

В четвертое издание книги внесены некоторые изменения и исправления в соответствии с ЕСКД.

Отзывы о книге просим направлять по адресу: 113114 Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, издательство «Энергия», редакция Массовой радиобиблиотеки.

Редакция Массовой радиобиблиотеки

Предисловие автора

Как спокойно следили мы за мирной эволюцией радиотехники, пока в один из дней 1948 г. появление транзистора не изменило все наши представления.

Это была революция… За несколько лет полупроводниковые приборы завоевали основные области радиоэлектроники. Наряду с классической, привычной для «лампистов» техникой возникла другая, совершенно новая. Многим радистам было трудно освоить новые понятия и прочувствовать особенности, свойственные кристаллическим приборам.

Существует много прекрасных, написанных на высоком техническом уровне работ о транзисторах; однако их чтение требует основательных знаний математики и физики твердого тела, усвоить которые довольно трудно. Но в магазинах редко найдешь хорошие книги, предназначенные для радистов-практиков, желающих проникнуть в мир транзисторов, понять происходящие в них физические явления и без затруднений разобраться в современных схемах, где используются эти «трехлапые создания».

Вот почему мы попытались написать книгу, предназначенную для тех, кто уже владеет основами радиотехники (пусть даже это будет на уровне книги «Радио?.. Это очень просто!») и желает освоить особенности транзисторной техники.

Задача эта совсем не из легких. Транзистор выявляет совершенно иные, чем электронная лампа, и не менее сложные проблемы. Взаимозависимость всех его параметров, малое входное сопротивление, сильное влияние температуры и много других препятствий стоят на пути к овладению новой техникой.

Вот почему по первоначальному замыслу книга должна была называться «Транзистор?.. Ну, это не так просто!» (в одном из первых абзацев высказывается именно такая идея). Однако по мере написания книги двум нашим друзьям Любознайкину и Незнайкину удалось убедить нас, что их взгляд на эти вещи не столь сложен. С этого момента стало логично дать книге название, подобное названиям других наших книг о радио и телевидении.

Значит ли это, что содержание следующих за предисловием страниц будет усвоено без каких бы то ни было усилий? Разумеется, нет. Читатель должен будет призвать на помощь все свое внимание и продолжать чтение книги только после того, как освоит основные понятия^[1]. И пусть юмор и некоторая легкомысленность рисунков на полях не создают иллюзию чрезвычайной легкости. Эти рисунки помогают полнее понять текст и приносят некоторую разрядку, педагогическую ценность которой нам трудно оценить. Но для приобретения знаний необходимо работать, работать и работать усидчиво, прилежно и, что самое главное, регулярно.

Некоторые найдут в нашей книге то, что они уже знают, как, например, построение нагрузочной прямой или наилучшие условия передачи мощности. Тем лучше для них. Другим же, наоборот, придется напрячь свое воображение, чтобы понять использование характеристик, к чему мы часто прибегаем.

Пусть читатель не ищет полной и строгой теории транзисторов. Не следует также искать здесь и описания конструкции различных приборов.

Мы стремились помочь читателю понять принципы. Из всей массы понятий и сведений, отражающих бурно развивающуюся технику, мы старались выделить самое главное, оставив в стороне все, что кажется менее существенным.

Оба действующих лица, живой диалог которых заполняет страницы книги, не отличаются ни ученостью, ни серьезностью. Они решительно придерживаются взглядов Монтескье, утверждавшего, что «серьезность – счастье глупцов». Поэтому будем надеяться, что, изучая эти страницы, читатель получит двойное удовольствие: развлекаясь – постигать новое. Этого блага мы ему и желаем.

Е. Айсберг

Действующие лица

Любознайкин – молодой преподаватель радиоэлектроники, некогда изучивший основы радиотехники с помощью своего дяди Радиоля; он всегда готов удовлетворить любознательность своего друга…

…Незнайкин – первый ученик Любознайкина. Их беседы изложены в книгах «Радио?.. Это очень просто!», «Телевидение?.. Это очень просто!» и «Радио и телевидение?.. Это очень просто!», где можно убедиться, что если Незнайкину иногда не хватает элементарных знаний, то как бы в качестве компенсации этого недостатка он наделен необычайной понятливостью. В настоящее время Незнайкин работает монтажником на заводе, выпускающем радиоприемники.

Беседа первая

ЖИЗНЬ АТОМОВ

Невозможно понять работу транзисторов, не углубив предварительно некоторых познаний в физике и химии относительно строения атома и соединений атомов. К этому и стремятся наши друзья в своей первой беседе.

_{Содержание: Полупроводники. Принцип работы и преимущества транзистора. Влияние температуры на транзисторы. Пределы по частоте и по мощности. Молекулы. Атомы. Протоны, нейтроны и электроны. Распределение электронов по оболочкам. Ионизация. Валентное число. Кристаллическая решетка.}

Незнайкин – жертва транзисторных приемников

Любознайкин. – Рад видеть тебя, дорогой друг. Хорошо ли ты провел отпуск?

Незнайкин. – Увы, нет.

Л. – Погода была неблагоприятной, облачное небо или море разбушевалось?

Н. – Совсем нет, в этом отношении мне повезло – погода была идеальная. Но на пляже не было никакой возможности отдохнуть, так как повсюду отдыхающие гремели своими транзисторными приемниками. Перекличка безголосых певичек и мотивы диких танцев подвергли мои нервы жестокому испытанию. А в довершение всего я, желая понять, как эти транзисторные приемники могут наделать столько шума, попытался читать книги, которые помогли бы мне понять теорию и вопросы применения… и ничего в них не понял!

Л. – Я понимаю твое огорчение. Но пусть твое самолюбие не страдает: поверь мне, транзисторы не такая простая штука! Открывая Международный конгресс по транзисторам, который в мае 1959 г. состоялся в Лондоне, лорд Хейлшем сказал, «что даже в наиболее развитых в промышленном отношении странах один из десяти тысяч человек не сможет объяснить, что такое транзистор или даже что такое полупроводник».

Н. – Это меня утешает, тем более что, как мне кажется, я могу сказать, что такое полупроводник.

Л. – Незнайкин, браво! Ну, выкладывай свои познания.

Трехлапое создание

Н. – Ну, начнем хотя бы с того, что полупроводник должен иметь сопротивление, во много раз большее, чем у проводников, и значительно меньшее, чем у диэлектриков.

Л. – Правильно, но это слишком общее определение. Чтобы быть более точными, скажем, что у такого полупроводника, как германий (который в основном используется для производства транзисторов), удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в миллион миллионов раз меньше, чем у стекла (рис. 1).

Рис. 1. Распределение важнейших проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов в зависимости от их удельного сопротивления. Здесь видно, что удельное сопротивление полупроводников изменяется в очень широких пределах и они занимают довольно широкую область.

Н. – Одним словом, в таблице удельных, сопротивлений он стоит ближе к проводникам, чем к диэлектрикам?

Л. – Да, и именно потому, что германий в некоторой мере проводит ток, из него можно делать «трехлапые создания».

Н. – Кого ты так называешь?

Л. – Такое название можно дать транзисторам, так как они имеют три проволочных вывода.

Н. – Если я правильно понял, транзистор заменяет электронную лампу. Может ли он выполнять все функции и какие преимущества по сравнению с лампой он имеет?

Л. – Ну вот, на меня и обрушился поток вопросов!.. Да, мой дорогой Незнайкин, транзистор, как и электронная лампа, может усиливать и детектировать сигналы; он также способен генерировать электрические колебания; его можно использовать в качестве преобразователя частоты и во всех других случаях, где до сих пор применялись вакуумные электронные лампы. Что же касается преимуществ, то у транзисторов их много. Начнем хотя бы с отсутствия накала.

Н. – Это чудесно! Значит, не нужно больше специального источника для питания накала?

Л. – Нет, не нужно, и поэтому транзисторы начинают работать немедленно, как только на них подадут напряжение, тогда как для ламп на подогрев уходит несколько десятков секунд, пока их катоды не достигнут температуры, необходимой для нормальной эмиссии электронов.

Н. – Я думаю, что отсутствие лакала должно также повышать коэффициент полезного действия, так как при использовании ламп значительная часть энергии источника теряется в виде теплоты.

Л. – Совершенно верно. Транзистору чуждо характерное для всех радиоламп разбазаривание ваттов, которые бесполезно уходят в калории. Там, где электронная лампа обычно потребляет 2 или 3 Вт, транзистор удовлетворяется десятками милливатт, т. е. мощностью, в сотню раз меньшей. А вместо 200 В, необходимых для приемно-усилительных ламп, транзистору вполне достаточно напряжения до 10 В.

Н. – Значит, одна или две обычные батарейки для карманного фонаря вполне удовлетворяют скромный аппетит приемника на транзисторах?

Л. – Да, именно так питаются портативные приемники, которые отравляли твое существование на пляже.

Н. – Можно ли также думать, что транзисторы прочнее и долговечнее электронных ламп, раз у них нет ни обрывающейся нити накала, ни катода, теряющего в конце концов свою эмиссию?

Л. – Правильно. Транзистор отличается прочностью (ведь это кусочек германиевого или кремниевого кристалла, снабженный тремя выводами и помещенный в корпус), малой массой и миниатюрностью.

Н. – Чудесно! Одни преимущества и нет недостатков!

Оборотная сторона медали

Л. – Вот опасность поспешных выводов! К сожалению, транзистор имеет и недостатки. При температуре выше 55 °C его к. п. д. довольно быстро падает, а если температуру поднять выше 85 °C, то и после охлаждения он потеряет свои первоначальные качества^[2]. Это верно по крайней мере для германиевых транзисторов. Кремниевые транзисторы свободно выдерживают значительно более высокие температуры: их не испугаешь температурой и в 150 °C. Дело в том, что в кремнии, как увидишь потом, электроны поверхностной оболочки сильнее связаны с ядром атома.

Н. – Я обещаю тебе никогда не прикасаться своим паяльником к транзистору.

Л. – И хорошо сделаешь. Впрочем, чтобы припаять выводы транзистора, необходимо перехватить калории, выделяемые наконечником паяльника, и не дать им достичь активного элемента транзистора.

Н. – А как это сделать?

Л. – Очень просто: надо зажать плоскогубцами часть проволочного вывода между транзистором и местом пайки… Кроме того, выводы транзисторов обычно делают из проволоки, плохо проводящей тепло (но, к счастью, хорошо проводящей ток!).

Н. – Можно ли в чем-нибудь еще упрекнуть транзистор?

Л. – К несчастью, да. Его возможности ограничены по частоте и по мощности. Он не может работать на частотах, превышающих несколько тысяч мегагерц…

Н. – Но это не так уж плохо, если вспомнить, что мегагерц – это миллион периодов в секунду.

Л. – Он также не может работать при больших мощностях, так как в этом случае теплота, выделяемая в транзисторе, резко ухудшает его отдачу. Тем не менее удается превысить мощность в 100 Вт.

Н. – Не думаешь ли ты, что эти недостатки исключают возможность широкого применения транзисторов?

Л. – Конечно, нет. С тех пор как транзистор был изобретен в 1948 г. тремя американскими физиками – Бардиным, Брэттейном и Шокли, которые получили за это изобретение Нобелевскую премию, он непрерывно совершенствовался. Уже сейчас транзистор в большинстве случаев может успешно заменить электронную лампу. Но я не думаю, что придет такой день, когда можно будет полностью отказаться от применения электронных ламп.

Возвращение к истокам

Н. – Теперь, когда меня больше не осаждает нестройный хор портативных приемников, как на пляже, я больше, чем когда бы то ни было, хочу понять, как работают транзисторы и каким образом их можно использовать.

Л. – Любопытная вещь: насколько просты наиболее распространенные транзисторные схемы, настолько сложны явления, происходящие в этих крохотных полупроводниковых приборах.

Н. – Я подозреваю, что в транзисторе, как и в лампе, имеются катод, сетка и анод.

Л. – Действительно, там различают области, которые в известной мере играют роль, аналогичную электродам вакуумного триода: эмиссия потока электронов, регулировка плотности и его фокусировка. И если ты желаешь, я могу кратко рассказать о применении транзисторов, не анализируя принципа их работы. Согласен?

Н. – Нет, я предпочитаю разобраться, что там в действительности происходит. Ты приучил меня рассуждать и анализировать механизм изучаемых явлений. Сохраним же эту традицию.

О молекулах и атомах

Л. – Ты прав. Но в этом случае мы должны начать с начала, т. е. со строения материи.

Н. – Мне кажется, что это… материя, которую мы давно знаем. Самая маленькая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства, называется молекулой – так сказано в моем учебнике физики.

Л. – Однако там не сказано, что в настоящее время мы знаем около полумиллиона разных молекул, являющихся результатом различных комбинаций примерно ста простых элементов.

Н. – Да, но там сказано, что все молекулы находятся на некотором расстоянии одна от другой (чем и объясняется сжимаемость всех тел); что они притягивают одна другую (к нашему счастью, иначе все предметы немедленно превратились бы в пыль) и что они находятся в беспорядочном движении, скорость которого по мере повышения температуры увеличивается.

Л. – Браво, Незнайкин! Ты все меньше и меньше оправдываешь свое имя… Раздробим молекулы, которые состоят из атомов, т. е. элементарных частиц простых веществ (или элементов). Каждый атом, как ты знаешь…

Н. – …представляет собой как бы миниатюрную солнечную систему со своим солнцем-ядром, состоящим из протонов (элементарных положительно заряженных частиц) и нейтронов, а планетами этой системы являются электроны, или вращающиеся вокруг ядра элементарные частицы отрицательного электричества (рис. 2).

Рис. 2. Атом лития имеет два электрона, вращающихся на оболочке К, и один электрон на оболочке L.

Л. – Ты говоришь как по книге, но нужно быть осторожным с аналогиями. Если все планеты солнечной системы движутся в одной плоскости, то у электронов орбиты располагаются в разных плоскостях. И эти орбиты расположены в пространстве не по воле случая: они могут занимать лишь определенные места, носящие название оболочек К, L, М, N, О, Р и Q. Эти оболочки упрощенно можно представить себе в виде концентрических сфер, в центре которых находится ядро, а радиусы этих сфер пропорциональны квадрату их номера.

Н. – Подожди, Любознайкин! Для меня это сразу слишком сложно.

Л. – Нет ничего проще. Оболочка К – это оболочка номер 1. Следовательно, у оболочки L, имеющей номер 2, радиус будет в 2² = 4 раза больше, а у оболочки М радиус будет в З² = 9 раз больше и т. д.

Н. – Это значит, что радиус седьмой оболочки, которую ты называешь оболочкой Q, будет в 7², или в 49, раз больше радиуса оболочки К?

Л. – Разумеется. А кроме того, энергия, которой обладает каждый электрон, возрастает по мере увеличения номера (обычно говорят «квантового числа») оболочки, на которой он находится.

Н. – Расстояние до ядра увеличивается от оболочки к оболочке, но какова их реальная величина?

Л. – Самая близкая к ядру оболочка К находится от него на расстоянии 5·10^-9 см, но я боюсь, что это тебе ничего не говорит. Представь себе фею, которая ударом волшебной палочки может увеличивать вещи в 10 раз. Если наша фея 14 раз ударит своей волшебной палочкой по атому углерода^[3]…

Н. – …атом увеличится в 10¹⁴ раз и, возможно, достигнет размеров целого земного шара, так что его и пристроить будет некуда. Вот будет фее хлопот!

Л. – Совсем нет. Протоны станут величиной с простое яблоко, а электроны (хотя масса каждого из них в 1837 раз меньше массы протона) – с футбольный мяч. И если ядро такого атома положить на паперть собора Парижской богоматери, то два электрона оболочки К будут вращаться на расстоянии 5 км, т. е. еще не выйдут за пределы Парижа. Что же касается четырех электронов внешней оболочки, то они будут вращаться в пригородной зоне на расстоянии 20 км от ядра, например будут проходить через Версаль.

У Незнайкина кружится голова

Н. – Но что же находится между нашими яблоками и футбольными мячами?

Л. – Ничего! Пустота. Но, разумеется, существуют электрические, магнитные, гравитационные и другие силы взаимного притяжения, поддерживающие всю эту систему в состоянии равновесия. Заряды с противоположными знаками взаимно притягиваются, поэтому электроны не уходят от своего ядра, несмотря на центробежные силы, стремящиеся их оторвать от ядра.

Н. – Ты меня пугаешь. Если это так, то атом состоит скорее из пустоты, чем из материи.

Л. – Совершенно верно, мой друг! И если бы удалось спрессовать все ядра и все электроны, составляющие, к примеру, твое тело, так, чтобы между ними не осталось пустоты, то получилось бы зернышко, едва различимое под микроскопом, но весящее, как и ты, 70 кг.

Н. – У меня мурашки бегают по коже каждый раз, когда ты напоминаешь мне, что я также состою из атомов. Но теперь, когда ты открыл мне, что во мне царит пустота, я испытываю жуткое головокружение.

Л. – Поэтому мы поступим благоразумно, если в дальнейшем будем говорить о других атомах, а не об атомах твоего тела. Чтобы более наглядно представить себе строение атома, условимся обозначать каждую оболочку в виде окружности.

Как ты, очевидно, знаешь, наиболее простое строение имеет атом водорода. Он состоит из одного протона и одного электрона, находящегося на оболочке К. В атоме гелия вокруг двух протонов ядра на этой же оболочке К вращаются два электрона (рис. 3).

Рис. 3. Вот два самых простых атома: атом водорода (слева) и атом гелия (справа).

Н. – А какой элемент имеет три электрона на оболочке К?

Ограниченное количество мест

Л. – Никакой, так как эта оболочка не может иметь больше двух электронов; Точно так же оболочка L не может иметь больше 8 электронов. На оболочке М может находиться не более 18 электронов, на оболочке N – не более 32, на оболочке О – не более 50, на оболочке Р – не более 72 и на оболочке Q – не более 98 электронов.

Н. – Очень любопытна эта последовательность чисел, которые ты называешь с такой легкостью.

Л. – Тут нет моей заслуги, так как эти числа определяются по очень простому закону:

Для оболочки К: 1² х 2 = 2.

Для оболочки L: 2² х 2 = 8.

Для оболочки М: З² х 2 = 18.

Для оболочки N: 4² х 2 = 32.

Для оболочки О: 5² х 2 = 50.

Для оболочки Р: 6² х 2 = 72.

Для оболочки Q: 7² х 2 = 98.

Н. – В общей сложности 280. Значит, имеются атомы, содержащие такое количество электронов.

Л. – Нет, потому что если оболочки K, L, М и N, действительно, могут иметь указанное мною количество электронов, то на оболочке О на практике их не бывает больше 18, на оболочке Р – больше 32 и на оболочке Q – больше 10 (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение атома радия, показывающее распределение электронов по различным оболочкам. В действительности орбиты располагаются в различных плоскостях.

Н. – Это очень интересно, но мне кажется, что мы рискуем заблудиться в лабиринтах атомной и ядерной физики.

Л. – Напротив, мы сейчас примем решение, которое в значительной мере облегчит нам изучение всех этих вопросов. Если ты согласен, мы будем учитывать только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома.

Н. – Хорош же ты! Открыв мне существование многочисленных оболочек, из-за чего атом напомнил мне луковицу, ты сразу же запрещаешь мне очистить эту луковицу. Уж не хочешь ли ты уберечь меня от слез?..

Нейтральное состояние и ионизация

Л. – Решение, которое мы должны принять, вполне законно. Что нас интересует в конечном счете? – Электрическое состояние атомов. Однако обычно атом содержит электронов столько же, сколько и протонов, в результате чего отрицательные заряды первых уравновешиваются положительными зарядами вторых. Такой атом электрически нейтрален. Но может случиться, что внешние силы вырвут у атома один или несколько электронов. В этом случае равновесие нарушается: общая сумма отрицательных зарядов электронов оказывается меньше положительного заряда ядра. Такой атом становится положительным ионом.

Н. – А если, наоборот, по той или иной причине атом получит избыточные электроны, то он станет отрицательным. Я подозреваю, что в этом случае его можно назвать отрицательным ионом.

Л. – Превосходно! Однако такие потери или приобретения электронов (именуемые ионизацией) могут иметь место главным образом на внешней оболочке, т. е. там, где меньше проявляется сила притяжения ядра.

Н. – Да, я понимаю, что в этих условиях нас могут интересовать только электроны, находящиеся на внешней оболочке.

Супружеские вопросы

Л. – Для этого есть еще одна причина. Именно эта оболочка определяет химические свойства элементов. Атом действительно удовлетворен своим положением только тогда, когда имеет на своей внешней орбите 8 электронов. В этих условиях атом стабилен и не помышляет ни о приобретении, ни о потере электронов. Так, например, неон, имеющий на своей внешней оболочке L 8 электронов, весьма счастлив и не стремится вступить в связь с каким бы то ни было другим химическим элементом. А фтор, имеющий на этой же внешней оболочке только 7 электронов, только и думает, как бы вступить и комбинацию с другим элементом, способным уступить ему 1 электрон для пополнения состава внешней оболочки до 8.

Н. – А как осуществляются такие супружеские сочетания?

Л. – Возьми для примера хлор, у которого на внешней оболочке М 7 электронов, и натрий, имеющий 2 электрона на оболочке К, 8 электронов на оболочке L и только 1 электрон на оболочке М. Вот тебе пример идеальной пары. Входя в комбинацию с хлором, натрий передает ему свой единственный электрон с внешней оболочки и доводит до 8 количество электронов на внешней оболочке. Одновременно с этим у натрия внешней станет оболочка L сo своими 8 электронами, принеся ему тем самым высокую стабильность (рис. 5).

Рис. 5. При соединении атома хлора (Сl) с атомом натрия (Na) образуется молекула хлористого натрия.

Н. – Да, но, получив избыточный электрон, хлор окажется ионизированным отрицательно, а потерявший свой электрон натрий станет положительным ионом?

Л. – Разумеется. Взаимное притяжение этих двух ионов сделает стабильной конструкцию молекулы, появившейся в результате этого бракосочетания.

Н. – А как называется новое вещество?

Л. – Хлористый натрий, если ты будешь покупать его в магазине химических реактивов, но в бакалее это же вещество продается под названием поваренной соли.

Н. – Я в этом не был уверен… А теперь я предполагаю, что таким образом можно объяснить и другие бракосочетания атомов. Как, например, происходит это при образовании молекулы воды?

Л. – Объединение происходит очень любезно. Атом кислорода имеет на внешней оболочке L 6 электронов, следовательно, на ней имеется еще два свободных места, и для заполнения их кислород занимает электроны у двух атомов водорода, так как, позволь тебе напомнить, атомы водорода имеют всего лишь по одному электрону (рис. 6).

Рис. 6. Два атома водорода (H) своими электронами дополняют количество электронов на оболочке L атома кислорода (О) до восьми. В результате объединения этих трех атомов образуется молекула окиси водорода, именуемая обычно… водой (Н₂O).

Н. – Теперь я понимаю, почему молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Л. – Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней показывает, в какие комбинации может вступать атом. Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным.

Н. – Прости меня, но это мне не совсем понятно.

Л. – Если на внешней оболочке имеется 6 или 7 электронов, то до полного комплекта из 8 электронов ей недостает соответственно 2 или 1 электрон. О таких атомах говорят, что они двухвалентны и одновалентны. Но если внешняя оболочка содержит 1, 2 или 3 электрона, то атом будет склонен отдать эти электроны. В этом случае мы имеем одновалентные, двухвалентные и трехвалентные элементы.

Н. – А если внешняя оболочка имеет 4 электрона?

Л. – В этом случае атом был бы более счастлив объединиться с другим атомом, имеющим также 4 электрона на внешней оболочке. Следовательно, такой атом четырехвалентен. Именно такие атомы у германия и кремния, используемых в производстве транзисторов, и у углерода. Наконец, если внешняя оболочка содержит 5 электронов, то атом называется пятивалентным. И, возвращаясь к вопросу о транзисторах, я представляю тебе несколько химических элементов, используемых при их производстве. С одной стороны, это алюминий, индий и галлий, внешняя оболочка которых содержит только 3 электрона, т. е. трехвалентные элементы, а с другой стороны, мышьяк и сурьма с 5 электронами на внешней оболочке, т. е. пятивалентные элементы (рис. 7).

Рис. 7. Распределение электронов (общее количество которых носит название «атомного номера») по различным оболочкам у основных элементов, используемых для изготовления транзисторов.

Общественная жизнь атомов

Н. – Неужели мы будем рассматривать таким способом все химические элементы?

Л. – Нет, успокойся. Мы ограничились элементами, имеющими важное значение в технологии транзисторов. Но мы допустим ошибку, если изучим только индивидуальную психологию атомов. Нас особенно должна интересовать их общественная жизнь. За исключением таких неисправимых индивидуалистов, как неон с 8 электронами на внешней орбите, которые боязливо отказываются от всякого объединения, атомы (не забывай этого!) живут в обществе. И их группировки имеют более или менее организованный характер. В твердых телах (за исключением тех, которые по своей структуре похожи на жидкости, как, например, стекло) атомы расположены в строго определенном порядке: они образуют кристаллические решетки.

Н. – Каким же образом они объединяются?

Л. – Это зависит от характера вещества. Возьмем в качестве примера германий или кремний. В этих веществах каждый атом своими четырьмя внешними электронами связан с четырьмя другими атомами: по одному электрону на каждый соседний атом. В свою очередь, каждый из соседних атомов отдает для связи с данным атомом по одному электрону. Я нарисовал здесь только один атом, связанный с четырьмя своими соседями (рис. 8). Но каждый из них, в свою очередь, связан с четырьмя соседними атомами (в том числе и с атомом, изображенным в центре нашего рисунка) и т. д. Теперь создается впечатление, что каждый атом имеет по 8 периферийных электронов, что, как ты видел, определяет условие стабильности. Попытайся представить себе правильное размещение атомов в пространстве.

Рис. 8. Атом германия, находящийся в центре куба, связан своими валентными электронами с четырьмя другими атомами (куб нарисован лишь для того, чтобы пояснить расположение атомов в пространстве). Кристаллы углерода и кремния имеют аналогичную структуру.

Н. – Очень забавная картина: висящие в пустоте шарики, каждый из которых наподобие индусских богов протягивает своим соседям четыре руки!.. И все твердые тела образуют подобные кристаллы?

Л. – Нет, Незнайкин. Но несколько других элементов имеют такое же распределение атомов, в частности углерод, большие кристаллы которого называются…

Н. – …алмазами. Это, мой дорогой друг, я знал. Нам повезло, что транзисторы делают из германия, а не из алмазов, иначе транзисторы стоили бы очень дорого.

Л. – Да, для нас с тобой, мой друг, это было бы очень и очень накладно… Однако существует много других типов кристаллов, которые нас сегодня не интересуют. Но нам чрезвычайно важно изучить свойства электронов внешней оболочки или, как их еще называют, периферийных электронов.

Н. – Ты мне сказал, что они легче других отрываются от атома, потому что слабее притягиваются его ядром.

Л. – Это правильно, но они отрываются лишь тогда, когда на внешней оболочке их мало – один, два или три. Это правило справедливо для всех металлов. Золото, серебро и медь имеют всего лишь по одному периферийному электрону; железо, цинк, магний – по два, а алюминий – три электрона. Эти электроны легко отрываются от атома и, став свободными, образуют поток электронов, который мы называем электрическим током. В отличие от металлов металлоиды имеют больше электронов на внешней оболочке, и эти электроны не проявляют тенденции к бродяжничеству, к которому так склонны их собратья, находящиеся в атомах металлов. Вот почему металлоиды являются диэлектриками.

Н. – А германий со своими четырьмя электронами тоже представляет собой диэлектрик?