Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Управляемые электроны в полупроводниках

Объясним вкратце, как полупроводники заставляют электроны быть послушными. В твердом теле, состоящем из большого количества атомов, разрешенные для электронов уровни энергии представляют собой широкие полосы (зоны) (см. главу 24, врезку «Плотность электронных состояний в металле… который становится сверхпроводником»). Электроны занимают эти зоны, начиная с самых низких энергий. Последняя полностью заполненная зона (называемая валентной) и последующая, по крайней мере частично, пустая зона (называемая зоной проводимости) разделены более или менее широкой запрещенной зоной, которую называют щелью.

Для промышленного применения кремний легируется примесями, то есть в его кристаллическую решетку вводятся атомы других элементов. Эти примеси бывают двух типов. Примеси первого типа (например, атомы фосфора) охотно избавляются от своих валентных электронов. Эти электроны заполняют зону проводимости, и полупроводник становится проводником – почти таким же, как металл, если легирование достаточно сильно (см. врезку «Проводник, диэлектрик и полупроводник»). Легированный таким образом полупроводник называется n-типом (от слова negative, «отрицательный», так как заряд электронов отрицательный). Примеси второго типа (например, атомы бора), наоборот, охотно принимают имеющиеся в кристалле свободные электроны на свои внешние энергетические оболочки. Эти электроны берутся из валентной зоны, оставляя в ней незаполненные состояния, так называемые дырки. Под воздействием электрического поля находящийся в валентной зоне электрон может «перескочить» из своего состояния в освободившееся незаполненное, на его место прыгнет следующий электрон, и эта чехарда продолжится далее. Происходящее можно себе представить, как если бы сама дырка несла положительный заряд и перемещалась по направлению электрического поля. В результате и в этом случае полупроводник становится проводником! Легированный таким образом полупроводник называется полупроводником p-типа (от positive, «положительный»). В обоих случаях полупроводник в любой точке остается нейтральным: подвижные заряды компенсируются зарядами ионов.

3. Транзистор с индивидуальными входами (чаще всего их объединяют в интегральные схемы). В отличие от триода, их прародителя, нагрев такому транзистору не требуется. Кроме того, он гораздо дешевле и имеет меньшие размеры

Состояние полупроводника удобно представлять на двумерной диаграмме (илл. 4), где по оси y отложена энергия, а ось x задает направление внутри кристалла. Такая упрощенная трактовка позволяет дать представление об основных процессах, в нем происходящих. Примесным уровням соответствуют состояния внутри запрещенной зоны, в противном случае вносимые ими электроны или дырки могли бы двигаться. Энергия Ферми E_Ф (или, как ее еще называют, уровень Ферми (см. главу 27, «Плотность электронных состояний в металле… который становится сверхпроводником»)) являет собой границу между занятыми состояниями и состояниями с более высокой энергией, которые при нулевой температуре пусты. При ненулевой, но не слишком высокой температуре некоторая часть электронов перебирается в зону проводимости, а часть дырок – в валентную полосу. Без легирования их количества обычно невелики. При добавлении примесей типа n (n-легирование) в зоне проводимости появляются дополнительные электроны, поэтому энергия Ферми, которая возрастает с увеличением их концентрации, приближается к зоне проводимости (илл. 5b). И наоборот, p-легирование сдвигает энергию Ферми вниз, ближе к валентной зоне (илл. 5a).

4. Интегральные схемы на пластине из кремния. Сотни тысяч транзисторов образуют сложные цепи на кристаллической подложке. Сложный дизайн транзисторов и их соединений получается посредством технологического процесса, называемого литографией

5. Зоны легированного полупроводника p-типа (a) и n-типа (b). Введенные примеси (представленные красными квадратами) захватывают электроны, находившиеся до того в валентной зоне (a), в случае легирования p-типа примесные атомы отдают электроны в зону проводимости (b), создавая дополнительные носители заряда и увеличивая тем самым электропроводность полупроводника

P-n-переход

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.