Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

противоположный процесс тоже работает. Добавление к кремнию небольших количеств элементов из колонки слева в Периодической таблице также увеличивает его проводимость, за счет изъятия электронов из полосы «валентности». Атом типа бора также очень сильно напоминает кремний, если рассматривать его с химической точки зрения, но у него на один электрон меньше. Небольшая примесь бора добавляет несколько пустых состояний с энергиями как раз выше валентной полосы, в которой электроны из нижней полосы энергий легко возбуждаются и, попав туда, остаются.

Может показаться, что изъятие электронов из валентной полосы вряд ли будет повышать проводимость, но так происходит, и очень интересным образом. Ловля этих кремниевых электронов в ловушки атомов бора оставляет «дырки» в море электронов, заполняющих материал. Когда к материалу прикладывается напряжение, чтобы вызвать электрический ток, оставшиеся электроны будут сдвигаться в ответ, что изменит положение дырок таким образом, что они вроде как будут двигаться в направлении, противоположном электронам.

Эти дырки в энергетических полосах, в других случаях заполненные электронами, будут вести себя как положительно заряженные частицы, двигающиеся в пустой полосе. Движение этих дырок будет электрическим током тем же самым образом, как и движение электронов в металле – или в кремнии с небольшой примесью фосфора, – приводя к повышению проводимости материала[203].

Таким образом, как добавление, так и изъятие электронов из полупроводника может резко увеличить его проводимость. Есть несколько существенных различий между полупроводниками «n-типа» (в которые добавили электроны, как в кремний с добавками фосфора), и «p-типа» (из которых электроны удалили, как в кремнии с добавками бора), что в основном сказывается на их поведении в магнитном поле. Оно толкает положительно заряженные дырки в направлении, противоположном отрицательно заряженным электронам.

Диаграммы энергетических полос, показывающие различные типы полупроводников. В полупроводнике без примесей тепловая энергия возбуждает очень малое количество электронов из полосы валентности до полосы проводимости. В полупроводнике n-типа отдающий электроны донор лежит прямо под полосой проводимости и снабжает гораздо большим количеством электронов, увеличивая проводимость. В проводнике p-типа принимающий электроны акцептор лежит прямо над полосой валентности и ловит в ловушки некоторые электроны, оставляя сзади дырки, которые могут проводить электрический ток.

Это явление позволяет сделать простой эксперимент, чтобы отличить их друг от друга при определении свойств нового материала. Этот отклик на магнитное поле – основа для создания датчиков магнитного поля в вашем смартфоне, который позволяет ему работать компасом, когда вы ищете направление в незнакомых местах.

Но помимо описанного, на самом деле не имеет большого значения, является ли данный кусок полупроводникового материала с примесью полупроводником n-типа или p-типа.

Нечто удивительное происходит, если вы сложите вместе полупроводник n-типа и полупроводник p-типа из одинакового основного состава (например, оба на базе кремния). Когда вы прикладываете напряжение через место соприкосновения между этими материалами, разница в типах носителей заряда ведет к драматическому изменению в поведении, зависящему от знака приложенного напряжения к каждой стороне. Если вы приложите положительный заряд к материалу p-типа и отрицательное напряжение к n-типа, то потечет ток. Дырки в материале p-типа будут двигаться от положительного напряжения к границе между двумя материалами, и электроны n-типа будут двигаться от отрицательного заряда тоже к границе. Когда эти два потока встретятся, электроны, текущие к границе от материала n-типа, заполнят дырки, текущие к ней от материала p-типа. В это время новые электроны будут подталкиваться в материал n-типа на конце с отрицательным напряжением, в то время как электроны выходят на конце с положительным напряжением, создавая новые дырки. Этот процесс может продолжаться бесконечно, и ток будет легко течь через место соединения.

Если вы поменяете местами напряжения, ситуация будет сильно отличаться. Отрицательное напряжение, приложенное к материалу p-типа, будет втягивать положительные дырки прочь от границ, в то время как положительное напряжение на материале n-типа также втягивает в него электроны. Это создает очень короткий ток, поскольку материал реорганизует сам себя, но в отсутствие источника новых электронов, ток прекратится.

Итак, в то время как полупроводники с примесями сами по себе не особенно интересны, соединение между полупроводниками p-типа и n-типа создает нечто новое и действительно очень интересное. Комбинация этих двух материалов создает диод – прибор, который позволяет току течь лишь в одном направлении. Это находит применение в повседневных технологиях, в основном в качестве защиты компонентов, которые могут выдерживать ток, протекающий лишь в одном определенном направлении. При правильном выборе полупроводниковых материалов электроны, рекомбинирующиеся с дырками на границе между материалами, будут излучать фотон, чья частота будет определяться полосой провала в энергии полупроводника. Такие светоизлучающие диоды (LED[204]) использовались для ламп с низким потреблением энергии в часах и других приборах десятилетиями. Самые последние улучшения в технологии LED[205] сделали их необходимыми деталями компьютерных дисплеев и бытовых осветительных приборов. LED также могут использоваться как основа для лазера в печатающих устройствах, при этом лицевая и обратная стороны полупроводникового чипа используются как «зеркала» для лазерной выемки (как описано в главе 5). В результате получается мощный источник лазерного света, упакованный в пространстве габаритами около сантиметра, и такие источники используются для считывания и записи данных в оптических системах хранения данных (таких, как CD, DVD и Blu-ray плейеры), сканерах товаров в супермаркетах и лазерных указках и много чего.

Движение электронов и дырок в диоде для по-разному приложенных напряжений. Отрицательное напряжение в полупроводнике n-типа толкает электроны к границе, где они комбинируются с дырками, выталкиваемыми от положительного напряжения на полупроводнике p-типа, что дает постоянное течение тока по мере поступления новых электронов в n-типе и из p-типа. Изменение знаков напряжения тянет электроны к положительному напряжению и дырки – к отрицательному, оставляя обедненный участок на границе и останавливая течение тока.

Добавление третьего слоя материала, когда тонкий слой полупроводника p-типа кладется между двумя слоями p-типа как в сэндвиче, создает еще более интересный прибор. Этот трехслойный набор выглядит как два диода, сложенные «спина к спине» и с правильным подбором уровней примесей для различных слоев. Нужно приложить относительно маленькое напряжение между одним концом и серединой, чтобы запустить гораздо более сильный ток от другого конца через середину. Количество тока зависит от напряжения: чем больше напряжение, тем сильнее ток. Этот прибор называется транзистором, ключевым компонентом всех вариантов электрических усилителей. «Транзисторное радио», самая современная технология 1950-х годов, использует компактные транзисторы для усиления электрических токов, чтобы работали усилители, вместо громоздких и горячих вакуумных ламп, использовавшихся в радиоприемниках до того. Это позволило создать первые переносные,