Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Простейшим полупроводниковым электронным устройством является p-n- переход, состоящий из двух соединенных полупроводников с разными типами проводимости – электронной и дырочной.

В области контакта такое соединение становится местом накопления заряда (илл. 5). Действительно, концентрация электронов и дырок в пространстве дискретным образом изменяться не может. Даже в случае возникновения такой дискретности диффузия электронов и дырок восстановит непрерывность (аналогично тому, как теплопроводность между двумя различными температурными зонами приводит к непрерывному распределению температуры, см. главу 18, «Сколько энергии требуется для приготовления пиццы?»). Таким образом, из-за разделения зарядов в области контакта возникает сильное электрическое поле.

P-n- переход обладает примечательным свойством: он пропускает ток только в одном направлении. Предположим, что нам нужно, чтобы ток протекал из полупроводника n -типа в p -область (илл. 6). В области p -типа ток переносится дырками, которые должны удаляться от контакта. В области n -типа ток переносится посредством электронов, которые также должны удаляться от контакта. Если бы в такой цепи установился стационарный ток, то вблизи контакта вскоре не осталось бы свободных зарядов и ток в цепи бы вскоре исчез. Таким образом, электрический ток течь из области n -типа в область p -типа [34] Вообще говоря, очень слабый ток из n -области в p -область все же протекать может, потому что в первой имеется небольшая концентрация дырок, а в последней – электронов. не может. С другой стороны, под воздействием приложенной батареей разности потенциалов ток может протекать из области р -типа в область n -типа: дырки при этом перемещаются в область n -типа, электроны – в область p -типа, на границе которых они аннигилируют («рекомбинируют»). На смену им придут другие электроны и другие дырки, которые появляются в цепи под воздействием разделяющей заряды батареи.

6.(a) Изменение плотности положительных и отрицательных носителей заряда в зависимости от расстояния x в p - n -переходе. Необходимость непрерывного изменения плотности обуславливает образование вокруг контакта (b) электрически заряженной области, где присутствующие носители заряда не компенсируются ионным фоном. Это приводит к возникновению на контакте разности потенциалов

Некоторые материалы, например металлы, являются проводящими, в то время как другие, диэлектрики, электрический ток не проводят (или проводят очень плохо). Рассмотрим, чем они отличаются с точки зрения зонной структуры.

В металле зона проводимости заполнена частично. Если приложить к концам металлической проволоки разность потенциалов Δ U , то ситуация становится неравновесной: уровни энергии смещаются на значение Δ U /e, а электроны устремляются туда, где энергия оказывается ниже… подобно тому, как дети скатываются с ледяной горки вниз! Таким образом, возникает ток, который течет против направления поля (заряд – e электрона отрицателен).

Тот факт, что вклад в электрический ток вносят лишь электроны, находящиеся в зоне проводимости, кажется несколько неожиданным. Попробуем понять, почему это так. Для протекания тока необходимо, чтобы электронов, движущихся в одном направлении, было больше, чем движущихся в противоположном. Однако симметрия требует, чтобы в отсутствие приложенного поля состояний с положительной скоростью было столько же, сколько и с отрицательной. Поэтому для возникновения тока необходимо, чтобы наложение электрического поля эту симметрию нарушило и занятых электронами состояний, соответствующих положительной скорости, оказалось больше, чем занятых состояний со скоростью отрицательной. В валентной же зоне все состояния уже заняты, по одному электрону в каждом (в соответствии с принципом запрета Паули (см. главу 24, «Изотопический эффект и роль кристаллической решетки»)). Поэтому здесь даже наложением электрического поля симметрию нарушить не удается, и средняя скорость электронов обязательно равна нулю. Таким образом, принадлежащие валентной зоне электроны в переносе заряда не участвуют и в ток вклада не вносят.

В диэлектрике щель между валентной зоной и зоной проводимости велика. В результате последняя остается практически пустой и вещество электрический ток не проводит, по крайней мере при низких температурах.

Существует и промежуточная категория веществ, находящихся между диэлектриком и проводником. Это полупроводники, которые в середине прошлого века коренным образом изменили нашу повседневную жизнь. Полупроводник – это диэлектрик, в котором валентная зона и зона проводимости разделены щелью достаточно узкой, чтобы электроны могли ее преодолевать под воздействием температуры. При нормальной температуре около 300 K электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, которая, следовательно, уже не пуста. Таким образом, проводимость, отсутствующая в таких веществах при абсолютном нуле температур, становится заметной при возрастании температуры до комнатной.

Таким образом, p-n- переход пропускает ток только в одном направлении, как, например, ламповый диод (триод без сетки, о котором мы уже говорили). Чтобы не выдумывать новое название, такое полупроводниковое устройство просто назвали диодом!

Выбирая подходящие полупроводники (например, арсенид галлия, GaAs) и легирующие примеси, можно сделать так, что рекомбинация между дырками и электронами будет сопровождаться сильным излучением света. Такие светоизлучающие диоды еще недавно использовали в качестве индикаторов, свидетельствующих о работе устройства (илл. 7), а сегодня вы видите их повсеместно в гирляндах, фарах автомобилей и других осветительных приборах с низким энергопотреблением. За прорыв в технологиях искусственного света Нобелевская премия по физике 2014 года была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамуре.

7. P-n -переход в состоянии равновесия. Неподвижные заряды (ионы примесей, которые отдали или приняли электрон) представлены красными квадратами. Зона проводимости пуста, за исключением нескольких движущихся электронов, обозначенных кружками со знаком (–). Валентная зона заполнена, за исключением нескольких движущихся дырок, обозначенных кружками со знаком (+). В области контакта между полупроводниками p- и n -типа электрические заряды накапливаются (см. илл. 6). Благодаря этим зарядам энергии Ферми по обе стороны перехода уравниваются