Алекс Кун - Петербург

Если привести образную картинку из моей истории, то электрическая река больше всего похожа на колонну демонстрантов, идущих по улицам. У каждого демонстранта в руке по шарику воздушному, а то и несколько шариков. Демонстранты будут у нас «атомами» а шарики у них в руках — «электронами». И вот, к этой колонне демонстрантов «подключили» полюса гальванической батареи — это равносильно тому, что подул вдоль улицы ветер, вырывая из рук демонстрантов шарики и таща их вдоль толпы. Те, у кого шарик вырван ветром из рук, пытаются поймать себе новый, из пролетающих мимо, некоторые ловят, некоторые нет, у тех, кто поймал, бывает опять шарик вырывает. Но в целом, ветер тянет шарики вдоль демонстрации, а демонстранты наклоняются вперед и начинают идти против ветра, так как там трибуны и им надо именно туда. Показательный пример. Жаль только, в этом времени его не расскажешь.

Зачем нам эти подробности? Чтоб разобраться, как электрическая река ведет себя в разных материалах. Если в материале много свободных электронов — река течет мощно и плавно. Такие материалы называют проводниками. Чем больше свободных электронов, тем лучше, и с меньшим сопротивлением течет река. Лучше всего это происходит в серебре. В меди похуже, в железе еще хуже и так далее. А что будет, если на пути такой реки встретятся «камни»? Правильно. Реке станет сложнее течь. И если камней навалить много, можно и всю реку запрудить.

Что же это за камни? Это инородные атомы других материалов, попавшие в проводник. Так что, серебро с примесями может проводить электричество хуже, чем чистая медь. Именно по этому мы жидкую медь продуваем воздухом, как железо, чтоб выжечь из нее как можно больше примесей. Да и твердые инородные включения внутри расплава меди, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, всплывая в пену и очищая медь еще больше. Без очистки у нас бы все провода грелись, вместо того, чтоб электричество пропускать.

Есть и другие материалы, чьи атомы свои электроны крепко держат, не желая их отдавать. Соответственно, свободных электронов и ионов в таких материалах нет, или почти нет, и электричество они не могут проводить. Такие материалы можно назвать «не проводниками» или изоляторами, но их стали называть диэлектриками. Хотя есть у этих материалов один нюанс. Атомы хоть и крепко держат свои электроны, но если начать увеличивать напряжение на плюсе и минусе подключенной к диэлектрику батареи — рано или поздно настанет такое напряжение, которое вырвет электрическими полями электрон из слабеющих объятий атома — и тогда ток потечет через диэлектрик. Такое напряжение называют «пробоем». И его надо знать для каждого изолятора, чтоб не допускать пробои электричества, сквозь изолированную диэлектриком оболочку кабеля.

Если вспомнить пример с демонстрантами, то диэлектрики это те демонстранты, которые свои шарики держат жуть как крепко. Некоторые даже шарики под плащ запихнули, чтоб их ветром точно не унесло. И, тем не менее, всегда найдется ветер такой силы, что вырвет шарики, сорвет плащ или еще что похуже сделает. При этом понятно, что после такого ветра демонстрантам будет весьма плохо — можно сказать, вся демонстрация будет загублена. Посему, пробоя желательно всячески избегать.

Проводник и диэлектрик это два «полюса» веществ. Но есть между этими полюсами и промежуточные состояния — «не то, ни се». Их можно называть полу диэлектриками или полупроводниками. Мы их будем называть полупроводниками, так как нас интересует именно ток электрической реки через них, а не его отсутствие.

Так что такое полупроводник? Вообще, полупроводниками можно назвать почти все вещества, что нас окружают. Даже диэлектрики, в какой то степени, являются полупроводниками. Чистое серебро, которое, самый что не на есть проводник — станет полупроводником, если в нем заведутся примеси, особенно примеси диэлектриков, например серы. Так что, полупроводниками можно считать все материалы, просто, в зависимости от их чистоты они могут склоняться больше к проводникам или к диэлектрикам. Тот самый случай, когда все оттенки серого цвета можно создать черной и белой красками — вопрос только в пропорциях.

Вот эти пропорции и есть самое важное в подборе полупроводника. Ведь, если мы хотим управлять рекой электричества, нам надо не просто сеть каналов-проводников, с набережными-изоляторами создать — но и построить плотины с заслонками, которые будут переправлять реку куда надо. Пока этими заслонками мы назначили обычные механические выключатели и переключатели. Теперь мы изучаем более сложную область — клапаны и краны для реки.

Клапан позволяет воде течь в одном направлении, но мешает ей течь обратно. С электрической рекой все несколько сложнее, но принцип похож.

Если намешать в полупроводнике вещества так, что, например, у нескольких атомов без электронов будет один свободный электрон на всех, который они начнут отнимать друг у друга, а у атомов рядом будет наоборот, три свободных электрона на каждого — то получится интересная картина. Подключая батарею полюсами к такому «сэндвичу», добьемся, что свободные электроны побегут из полупроводника с избытком в полупроводник с недостатком электронов и рассядутся по жадно похватавшим их атомам — после чего полупроводник станет диэлектриком, то есть, ток прекратится. А если поменяем полюса у «сэндвича» на противоположные, то бегу электронов ничего мешать не будет.

В пример с демонстрацией можно добавить несколько шеренг людей, у которых один шарик на троих и несколько шеренг, у которых по три шарика на каждого. Если ветер дует в сторону шеренг с недостатком шариков, то все прилетающие по ветру шарики быстро переловят обделенные демонстранты, и шарики за их шеренгой не появятся, а вот если ветер подует в другую сторону, то шарики полетят вдоль толпы, вырванные из рук шеренг, у которых они с избытком.

Так и выходит электрический «клапан». В одну сторону электричество течет, в другую — нет. Картина, правда, существенно сложнее описанной — но с этим пусть потомки мучаются. Для нас пока важно иное — химическими манипуляциями необходимо создать «сэндвич», у которого есть слой «бедных» атомов и слой «богатых», на свободные электроны, атомов.

Таких вариантов химических соединений огромное множество, но у каждого из них разная степень «бедных» и «богатых» атомов, соответственно, одни могут быть хорошими клапанами, другие посредственными, а третьи так и совсем никакими. К этому еще добавляется химическая сложность синтеза таких материалов, и недоступность многих веществ. Например, хорошие характеристики у германия — но даже не представляю, где его брать. У кремния характеристики замечательные, кремния полно, но вот химическая технология получения из него полупроводника — сложновата. Мало того, что кремний надо особо чистый, так как всего несколько атомов примеси испортят полупроводник, так еще и кристаллическую решетку ему организовать надо. Кстати, при вытяжке кристалла из расплава, можно просто регулировать скорость вытяжки то быстрее, то медленнее, и это мизерное нарушение кристаллической решетки кремния уже даст слои полупроводника «богатые» и «бедные» — потом только останется распилить кристалл на пластины и «клапаны» готовы.