В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Слова «нулевой цикл» — узаконенный строительный термин, он относится к сооружению той части здания, которая лежит ниже уровня земли, ниже нулевой отметки. Проще говоря, «нулевой цикл» — это закладка фундамента. Именно с него, с этого цикла, с этого комплекса сложных и трудоемких работ, начинается строительство любого объекта. Потом вырастают на прочном фундаменте этажи, появляются нарядные интерьеры, уютные квартиры, быстроходные лифты, и уже мало кто задумывается о том, с чего начинался дом.

Во всяком деле имеются свои «нулевые циклы», свои невидимые миру фундаментальные работы, истинное значение которых зачастую понимают лишь специалисты. Сейчас нам предстоит интересная встреча с группой ученых, которые сегодня работают на переднем крае физики полупроводников, создают фундамент для электроники завтрашнего дня. Это лауреаты премии Ленинского комсомола 1976 г. Иван Арсентьев, Петр Копьев, Вячеслав Мишурный и Валерий Румянцев. Для встречи с ними мы отправляемся в Ленинград, в ордена Ленина Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, или, как его иногда коротко называют, Физтех. Наш конечный пункт — лаборатория контактных явлений в полупроводниках. Руководит ею лауреат Ленинской премии академик Жорес Иванович Алферов.

Известно, что все вещества можно разделить на две группы — проводники и диэлектрики (изоляторы): в проводниках есть свободные электрические заряды, а в диэлектриках свободных зарядов нет. Между проводниками и диэлектриками находится еще одна большая группа веществ, которые называют полупроводниками. В полупроводниках есть свободные заряды, но их во много тысяч раз меньше, чем, скажем, в меди или железе. Поэтому полупроводники сами по себе проводят ток значительно хуже, чем классические проводники — металлы.

Обратите внимание на оговорку «сами по себе» — от нее начинается путь к удивительным явлениям, которые как раз и определили интерес современной техники к полупроводниковым материалам.

Физики с виртуозной точностью научились производить с полупроводниками различные операции, которые можно объединить одним понятием — «легирование». Легирование есть не что иное, как введение различных примесей в чистый полупроводниковый материал. Эти примеси, даже если они в ничтожных количествах — миллионные и миллиардные доли процента, — радикально меняют свойства «самого по себе» полупроводника.

Действие примесей в самом упрощенном виде можно описать так: они занимают места в кристаллической решетке основного вещества; в результате такой замены в полупроводнике резко возрастает количество свободных зарядов, и по своим свойствам он заметно приближается к металлическому проводнику.

После введения некоторых примесей — их называют донорами — в полупроводнике появляются свободные электроны; на рисунках в популярных брошюрах их обычно изображают в виде этаких маленьких бегающих шариков или кружков с «минусом» в середине. Другие примеси — их называют акцепторами — создают в полупроводнике свободные положительные заряды; на рисунках их изображают тоже в виде шариков или кружков, но уже, конечно, с «плюсом» в середине. Причем в таком рисунке значительно больше искажается истина, чем там, где в виде шариков изображались свободные электроны. Дело в том, что свободных, подвижных частиц с положительным зарядом, с «плюсом», в полупроводниковом материале вообще нет. Их роль выполняют так называемые «дырки» — положительные заряды неподвижных атомов с недостающими электронами на орбите. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда. В результате быстрого перескакивания электрона из атома в атом в полупроводнике, по сути дела, перемещается «дырка», т. е., по сути дела, движется положительный заряд.

Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводниками n-типа, а с акцепторными примесями — полупроводниками p-типа. Главное волшебство начинается там, где в одном кристалле соприкасаются участки с электрической проводимостью разного типа. Такая область соприкосновения называется р-n-переходом (рис. 1).

Уже одиночный р-n-переход есть основа вполне законченного электронного прибора — диода, который пропускает ток только в одну сторону: только от зоны р к зоне n. Он делает то, что раньше поручали электровакуумному диоду — радиолампе с двумя металлическими электродами. А трехслойный «пирог» — кристалл с двумя переходами, т. е. со структурой р-n-р или n-р-n — это уже усилительный прибор, транзистор.