Жмурки с электричеством

Высокая наука, что с неё взять… Даже детям, которые «академиев не кончали», понятно, что не могут свободные электроны выписывать кренделя в диэлектрическом кристалле! А вот зарядовые разбалансы — могут. Причём, как отрицательные, так и положительные. В условиях магнитного «поля», они мигрируют себе по замкнутым цепочкам атомов. Если атомы образуют кристаллическую решётку, эти цепочки миграций могут иметь дискретные длины, к тому же зависящие от ориентации кристалла относительно вектора магнитной индукции — с соответствующими частотами кручения-верчения по этим цепочкам. Вот вам и набор плавающих пиков поглощения СВЧ. И тензорными массами не надо маяться. Лепота!

Ну, у кого-то — лепота, а у кого-то — слепота. Если образец демонстрирует отрицательную холловскую разность потенциалов, то считается, что в нём доминируют свободные электроны. А если положительную, то — «свободные дырки». В первом случае говорят: «полупроводник n-типа», а во втором — «p-типа». Хорошо известно, что электропроводность полупроводников растёт с увеличением температуры. «Это потому, — объясняют теоретики, — что свободных носителей становится больше». Свежо страдание, а лечится с трудом! Честный процент термической ионизации атомов в образце на порядок меньше того, который обеспечивал бы электропроводность чистых полупроводников. Пришлось опять прибегать к методам высокой науки. Нас уверяют, что у атомов, образующих полупроводник, энергия ионизации на порядок меньше, чем у тех же атомов в свободном состоянии. Такой ход мысли понятен. Только, любезные, у вас получается, что, при образовании полупроводникового кристалла из отдельных атомов, бесследно исчезает почти вся энергия связи самых внешних атомарных электронов — по несколько электрон-вольт на атом. Это гораздо больше, чем, например, превращения энергии при детонации. И никто не вздрагивает!

А ведь с чистыми полупроводниками — это ещё пустячки, мелкие недоразумения. «По-взрослому» всё начинается у легированных полупроводников. Примеси, которыми их легируют, они — о-го-го какие! Они могут кардинально увеличить электропроводность образца! Как они это делают? Да возьмите первый попавшийся учебник по полупроводникам, и он сам откроется на нужной странице. Значит, так: если материал из четырёхвалентных атомов легировать пятивалентными атомами, то они встроятся в решётку, задействовав только по четыре своих валентных электрона. Оставшиеся же пятые могут быть «легко оторваны» и сделаны свободными носителями. Вот вам, мол, резкое увеличение проводимости n-типа. Стоп! После «лёгкого отрыва» электрона, в атоме-то остаётся дырка! Разве она не даёт вклада в проводимость p-типа? Это как в детских играх, что ли: новые свободные электроны «играют», а новые дырки — «не играют»? О, Господи, читаем дальше: если тот же материал из четырёхвалентных атомов легировать трёхвалентными атомами, то они встроятся в решётку, задействовав все свои валентные электроны, но при этом у них будет не хватать по одному электрону, чтобы образовать по четыре связи с соседями. Вот вам, мол, готовые дырки, которые дают резкое увеличение проводимости p-типа. Стоп! Какие же это «дырки», если все электроны — в атомах, и ни один атом не ионизован? Дяденьки, на кого рассчитана эта концепция примесной проводимости — на ваших бабушек, что ли? «Эта концепция, — с нордическим спокойствием парируют академики, — надёжно подтверждена опытом. Легирование кремния и германия пятивалентными элементами даёт резкое увеличение n-проводимости, а легирование их трёхвалентными элементами даёт резкое увеличение p-проводимости!» Ну, ну. Повезло же вам, что есть на свете такие аномалии: кремний да германий. С ними всё получается так, как в учебниках написано. А про полную картину вы в курсе? Нехорошо внушать нам правило: примеси с большей валентностью, чем у главных атомов, дают проводимость n-типа, а с меньшей валентностью — p-типа. В доброй половине случаев это правило по-наглому не работает!