Транзистор?.. Это очень просто!

Н. — Не хочешь ли ты сказать, что фотоны, эти зернышки света, бомбардируя атомы германия, вырывают из них электроны?

Л. — Да, и это свойство позволяет делать из германия фоторезисторы, т. е. устройства, сопротивление которых изменяется под воздействием освещения. В наиболее старом из известных фотоэлементов используется селен, который также является полупроводником.

Н. — Впрочем, я пользуюсь фотоэкспонометром, в котором установлен такой элемент…

Л. — Фотоэлемент в твоем экспонометре, очевидно, сделан не из селена, а, возможно, из кадмия или кремния. Эти вещества позволяют создавать генерирующие фотоэлементы, т. е. устройства, преобразующие световую энергию в электрический ток.

Н. — Не такие ли элементы, освещаемые солнцем, питают электрическим током космические станции?

Скандалы многочисленных семей

Л. — Да, Незнайкин. А теперь мы станем свидетелями смуты в нашем так хорошо организованном обществе, введя в него семью с пятью детьми.

Н. — Что ты хочешь этим сказать?

Л. — Что среди атомов даже самого чистого германия содержатся в самых малых количествах атомы других элементов, именуемых примесями. В самом чистом германии на миллиард атомов имеется один атом примеси.

Н. — Стоит ли обращать внимание на такую малость? Ведь это все равно, что его вообще нет.

Л. — Ты неправ, когда пренебрегаешь этими примесями, потому что даже при такой ничтожной пропорции в одном кубическом сантиметре германия, который называют чистым, содержится пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных или, как их называют, примесных атомов.

Н. — Я не подумал, что этот кубический сантиметр содержит тысячи миллиардов атомов… Но что делает семья с пятью детьми? Ты хочешь сказать, что речь идет об атоме с пятью электронами на внешней оболочке?

Л. — Совершенно верно. Один пятивалентный атом, например атом мышьяка или сурьмы, проник в благородное общество атомов германия (рис. 10)… и скандал разразился!

Рис. 10. Пятивалентный примесный атом нарушил безукоризненный порядок кристаллической решетки. Что станет с пятым электроном этого атома?

Н. — Очевидно потому, что если удастся переженить четырех детей этой странной семьи с детьми четырех соседних семей, то пятый останется безнадежным холостяком?

Л. — Да, Незнайкин, четыре электрона образуют валентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки, а пятый электрон остается свободным.

Н. — Если я правильно понимаю, то, прилагая напряжение между двумя точками кристалла, можно создать там ток, ибо свободные электроны, появившиеся благодаря пятивалентным элементам, будут притягиваться положительным полюсом, а отрицательный полюс источника тока одновременно выпустит в кристалл такое же количество электронов (рис. 11).

Рис. 11. Проводимость в полупроводнике типа n. Свободные электроны (помечены знаком минус) отрываются от пятивалентных атомов, которые из-за этого становятся положительными ионами (помечены знаком плюс).

Л. — Да, такое явление в полупроводнике, содержащем пятивалентные примеси, т. е. примеси с избытком электронов. Говорят, Что это полупроводник типа n (от слова negative — отрицательный). А такие примеси часто называются донорами, так как они дают свободные электроны.

Н. — Каково обычное содержание примесей?

Л. — Максимум один атом на десять миллионов атомов германия, т. е. такая же пропорция, как четыре человека на все население Франции.

Н. — Да, однако в этом случае мы получим примесей в сто раз больше, чем их содержится в самом чистом германии. Но что станет с атомом примеси, например мышьяка, у которого оторвался свободный электрон? По-моему, он перестанет быть нейтральным и, имея теперь электронов меньше, чем протонов, станет положительным.

Л. — О, да. Как бы ни казался парадоксальным этот факт, а в германии типа n атомы примеси оказываются ионизированными положительно.

Истории с похищением детей

Н. — А что случится с нашим кристаллическим обществом, если одна из семей будет иметь лишь трех детей, иначе говоря, если в кристалл полупроводника ввести атомы, имеющие на внешней оболочке только три электрона?

Л. — Разразившийся скандал будет ничуть не меньше, чем в случае со слишком многочисленными семьями. Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. 12).

Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентный примесный атом, который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома.

Н. — Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.

Л. — Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.

Н. — Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.

Л. — Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13).

Рис. 13. В полупроводнике типа р трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.

Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.

Два потока

Н. — Значит, когда электроны, как им полагается, направляются к положительному полюсу, дырки перемещаются к отрицательному полюсу, как если бы они были частицами с положительными зарядами.

Л. — Да, действительно, все происходит так, как если бы в полупроводнике с трехвалентными примесями положительные заряды, противоположные электронам, перемещались от положительного полюса к отрицательному.

Н. — Таким образом, дырки следуют по условно принятому направлению электрического тока от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Но можно ли сказать, что здесь мы имеем электрический ток, созданный положительными зарядами?

Л. — А почему бы и нет? Не надо только забывать, что дырка представляет собой лишь свободное место, предназначенное для электрона.

Н. — Я предполагаю, что полупроводник, содержащий трехвалентные примеси, должен принадлежать к типу р (от слова positive — положительный).

Л. — Да, так его и называют. И раз уж ты сейчас настроен серьезно поразмыслить, может быть, ты скажешь мне, что происходит с атомами примеси, когда электроны с соседних атомов заполняют их дырки.

Н. — Они становятся отрицательно заряженными ионами, потому что количество электронов стало больше количества их протонов… Весьма любопытно, что в полупроводнике типа n примеси ионизируются положительно, а в полупроводнике типа р — отрицательно.

Л. — Я добавлю, что атомы примесей типа р, такие как атомы алюминия, галлия или индия, часто называют акцепторами, так как они принимают на себя электроны, тогда как атомы примесей типа n отдают их полупроводнику.

Н. — Я начинаю чувствовать, что в моей голове из всех этих доноров и акцепторов получается винегрет.

Л. — Поэтому существует маленькое правило: в слове «донор» есть буква «эн» (n), а в слове акцептор — буква «пэ» (р).

Н. — Спасибо, это несколько облегчит задачу.

Переход, представляющий собой барьер

Л. — Раз ты уже знаешь нравы кристаллических обществ, спокойствие которых нарушается экстравагантными семьями доноров и акцепторов, рассмотрим теперь, что даст объединение полупроводника типа и с полупроводником типа р. Представь себе, что, взяв чистый кристалл германия, я одну половину его «отравил», введя атомы-доноры (например, атомы мышьяка), а в другую половину ввел атомы-акцепторы (индия, если хочешь). Зона разграничения между разными типами полупроводников носит название р-n перехода. Его толщина порядка 0,3 мкм, но такая ничтожная протяженность зоны р-n перехода не мешает ей играть колоссальную роль.

Н. — Я не вижу в этом переходе ничего особенного. В каждой половине нашего кристалла электроны будут продолжать свои короткие прогулки, совершенно не ведая, что происходит в его второй половине.

Л. — Ошибаешься, друг мой. Обычный тепловой ток в этом случае будет сопровождаться другим явлением. Отрицательно ионизированные примесные атомы области р оттолкнут от перехода свободные электроны в области n.

Н. — Правда, а я и не думал об этом взаимном отталкивании одноименных зарядов… Но в этом случае положительно ионизированные атомы области и должны оттолкнуться от перехода дырки в области р.

Л. — Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области и притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-n перехода (рис. 14).

Рис. 14. Переход р-n. Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области n отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ионы донорной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.

Н. — Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-n перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их к краям кристалла. Все это очень любопытно; наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а другая с положительным потенциалом.

Л. — Да, ты очень хорошо рассудил: Переход представляет собой настоящий потенциальный барьер.