Шаг за шагом. Транзисторы

Еще недавно их делили на две группы, и условная граница между ними проходила где-то в районе удельного сопротивления 0,01 —100 ом·см. Все вещества с большим сопротивлением относили к изоляторам, а с меньшим — к проводникам.

В дальнейшем оказалось удобным выделить в имеющемся «наборе» некоторую промежуточную группу веществ с удельным сопротивлением от 0,0001 ом-см до 10 000 000 ом·см. Эти вещества и получили название полупроводников, хотя с таким же успехом их можно было назвать полуизоляторами.

Удельное сопротивление германия составляет примерно 50 ом·см, кремния — 1000 000 ом·см. Обе эти цифры относятся лишь к химически чистым веществам: даже небольшие доли примесей могут менять удельное сопротивление германия и кремния во много тысяч раз. Чтобы понять, как происходит такое резкое изменение электрических свойств полупроводника, нам придется несколько дополнить свои представления о возникновении и передвижении свободных электрических зарядов. Для этого мы сейчас мысленно нарисуем две очень упрощенные картинки, которые хотя и несколько искажают действительность, но зато позволяют в простом виде представить себе очень сложный процесс.

Для начала попробуем представить себе электрический ток в полупроводнике как упорядоченное движение одних только свободных электронов. Выглядит оно примерно так.

Под действием электрического напряжения электроны сравнительно медленно движутся в межатомном пространстве, не переставая при этом совершать свои (см. примечание на стр. 26) беспорядочные рывки в разные стороны. Сами же атомы неподвижны, так как они прочно связаны друг с другом в кристаллической решетке. Дав свободу некоторым своим электронам, пустив их путешествовать в межатомное пространство, атомы утратили тем самым былое электрическое равновесие и превратились в положительные ионы.

Кроме длинных, безостановочных путешествий, свободные электроны, создающие ток, могут совершать и короткие перебежки. Выскочит такой слабенький (с небольшим запасом энергии) электрон из своего атома и тут же попадет на пустующее место в соседнем атоме. В результате свой собственный атом превратится в положительный ион, а положительный ион, давший приют электрону-беглецу, станет нейтральным атомом.

Представьте себе, что электрон перебежал из атома в атом очень быстро и вы даже не успели заметить, когда все это произошло. Как в этом случае воспримете вы происшедшее событие? Вы увидите, как в твердом полупроводнике сдвинулся с места положительный ион (рис. 11).

Рис. 11. Переход электрона из одного атома в другой можно рассматривать как движение положительного заряда в противоположную сторону — движение дырки.

Положительный заряд, двигающийся в полупроводнике в результате коротких перебежек электронов, называют дыркой. Это весьма образное название. В результате коротких перебежек электронов действительно двигаются пустующие на внешней орбите места, двигаются дырки в электронных оболочках атомов. И несмотря на то что первопричиной всего, что происходит, является движение электронов, несмотря на то что при этом сами атомы в твердом теле своих мест не меняют (движение положительных и отрицательных ионов наблюдается лишь в жидких и газообразных веществах, где атомы и молекулы слабо связаны друг с другом и сравнительно легко передвигаются с места на место), мы все же будем считать, что в твердом полупроводнике имеются свободные положительные заряды — подвижные дырки.

Атомы-то ведь все одинаковые — не поймешь, кто кем был и кто кем стал, не поймешь, у кого чей электрон вращается на орбите. (Еще раз просим прочесть примечание на стр. 26, хотя читатель уже, по-видимому, сам знает, в каких случаях нужно обращаться к этому примечанию, и будет это делать без лишних напоминаний.) И поэтому, не пытаясь разобраться в поведении отдельных электронов-перебежчиков, мы будем оценивать лишь конечный результат их деятельности. А таким результатом как раз и является движение положительных зарядов, движение дырок.

Совершенно ясно, что под действием приложенного напряжения в полупроводнике будут упорядоченно двигаться не только электроны-путешественники, но и электроны-перебежчики. Бросаясь из стороны в сторону, они все чаще будут сдвигаться в сторону «плюса» батареи. А это значит, что в хаотическом движении дырок появится некоторая упорядоченность — они медленно и планомерно будут смещаться в сторону «минуса».

Здесь нельзя не вспомнить хорошо известную аналогию. В театре во время спектакля освободилось место в первом ряду. На него сейчас же пересел зритель со второго ряда. На место, освободившееся во втором ряду, пересел зритель из третьего ряда. На его место пересел кто-то из четвертого ряда, и так продолжалось до тех пор, пока свободное место не оказалось в самом последнем ряду. С места на место перебегали люди (электроны-перебежчики), а в результате по залу от первого ряда до последнего переместилось свободное место (дырка).

Теперь, чтобы окончательно не запутаться, давайте вообще забудем о существовании наших электронов-перебежчиков и будем считать, что в полупроводнике электрический ток представляет собой движение двух сортов зарядов — свободных электронов и дырок, что полупроводник обладает электронной и «дырочной» проводимостью.

Подобный прием — исключение из игры электронов-перебежчиков— можно считать вполне оправданным: нельзя же всякий раз начинать свои рассуждения «от печки». Изучая автомобиль, например, вы только один раз подробно познакомитесь с двигателем. А потом, разбираясь в устройстве коробки скоростей или в передаче вращения от двигателя к задним колесам, вы уже не будете начинать с того, как в карбюраторе образуется горючая смесь.

Вас ни в какой мере не должно смущать, что участвующие в электрическом токе свободные электроны и дырки движутся в разные стороны. В твердом теле настолько просторно, что эти движения друг другу не мешают.

При этом каждый из движущихся зарядов, независимо от своих коллег (вы не забываете о примечании на стр. 26?), выполняет свою работу. Поэтому, определяя ток в цепи или мощность на каком-либо ее участке, необходимо учитывать движение и отрицательных, и положительных зарядов. Так, например, если через поперечное сечение проводника (или полупроводника) в каком-либо определенном направлении за одну секунду прошел кулон электронов, а в другую сторону одновременно прошел кулон дырок, то ток в цепи равен 2 а.

В чистом, беспримесном полупроводнике число свободных электронов и число дырок одинаково. Однако для создания транзисторов нужны полупроводниковые материалы с разными типами проводимости — только с электронной или только с дырочной. Это значит, что у одних материалов число свободных электронов должно во много раз превышать число дырок, чтобы в этих полупроводниках возникал в основном электронный ток. А у других материалов, наоборот, дырок должно быть намного больше, чем свободных электронов, и ток в них должен создаваться в основном только дырками. При этом общий заряд куска германия или кремния должен быть равен нулю — в целом в нем не должно быть никаких лишних зарядов.

Вот так задача! Это уже почти то же самое, что залезть в шар и стать там в угол. Как можно, например, добавить в полупроводник свободные положительные заряды, не меняя общего числа зарядов в этом полупроводнике? Каким образом, не нарушая электрического равновесия полупроводника, можно получить в нем избыток тех или иных свободных зарядов? Это можно сделать, добавляя в чистый полупроводник определенные примеси.

Дело в том, что в кристаллах углеродного семейства — в германии и кремнии — действует неписаный закон: «Структура важнее всего». Это значит, что если ради сохранения своей прекрасной алмазоподобной кристаллической решетки атомы должны, принести какие-либо жертвы, то эти жертвы будут принесены: «Структура важнее всего».