Жмурки с электричеством

Ой, а ещё смешнее — полупроводниковый диод с p-n-переходом работает как солнечная батарея. При облучении светом, попадающим в полосу оптического поглощения, он создаёт электродвижущую силу, способную поддерживать слабый постоянный ток в замкнутой цепи. Здесь ток — это, опять же, ток посторонних электронов, которые входят в p-область и выходят из n-области. Почему так получается? Академики полагают, что свет обладает волшебным свойством: действуя на p- и n-области, он увеличивает в них количество «свободных носителей». В n-области, якобы, от света увеличивается количество свободных электронов, а в p-области — увеличивается количество «свободных дырок». Как такое получается в электрически нейтральных кусочках — об этом академиков лучше не спрашивать, чтобы не расстраивать их до слёз. Хотя — тока-то всё равно не получится. Свободные электроны из участка внешней цепи, прилегающей к p-области, будут, конечно, ломиться в эту область. Но в эту область будут ломиться и свободные электроны из n-области. А встречные токи в фотодиоде — это не то, что нам нужно. Чтобы фотодиод работал как насос, перекачивающий электроны, какие-то силы и в p-области и в n-области должны двигать электроны в одну и ту же сторону. Эти силы берутся вот откуда. Свет, из полосы оптического поглощения, продуцирует не свободные носители электричества, а зарядовые разбалансы — положительные в p-области и отрицательные в n-области. Они мигрируют навстречу друг другу, нейтрализуя друг друга в области p-n-перехода, а их энергия превращается в другие формы (например, в тепло). Теперь, внимание: свободные электроны в фотодиоде должны двигаться так, чтобы, по возможности, компенсировать эти токи зарядовых разбалансов. Значит, в p-области электроны должны двигаться попутно с положительными зарядовыми разбалансами, а в n-области — навстречу отрицательным зарядовым разбалансам. Вот и получается сквозное движение свободных электронов через освещаемый фотодиод!

Ну, и ещё один фотоэлектронный прикол: работа полупроводникового лазера. Если прямой ток через p-n-диод превышает пороговое значение, то зона p-n-перехода излучает свет с длинами волн из полосы оптического поглощения. Теоретики долго думали — как бы объяснить это чудо, да посмешнее. В итоге, успех пришёл. Дескать, свет здесь рождается в результате излучательной рекомбинации электронов и дырок. Это — по-научному. А по-простому это так: свободный электрон плюхается в дырку и становится связанным. При этом, вроде, и вправду должен излучаться свет — как при рекомбинации положительных ионов с электронами. Только, позвольте, при такой генерации света уменьшалось бы число свободных носителей электричества! А откуда брались бы новые, им на смену, чтобы в цепи поддерживался постоянный ток?! Источник тока — он ведь не впрыскивает в цепь всё новые и новые электроны, он всего лишь перекачивает электроны с анода на катод. Ну, дела… Да, и ещё, позвольте заметить: «рекомбинация электронов с дырками» возможна не только в зоне p-n-перехода, но и во всём объёме p-области. Увы — похоже, в объёме p-области «дырки» какие-то ненастоящие, потому что светит только зона p-n-перехода. Да и вообще: пускайте ток через монообразец p-типа — пусть там электроны всех дырок до смерти зарекомбинируют. То-то свету будет! Но, нет, здесь электронам для полного счастья категорически не хватает p-n-перехода — без него ни фига не получается. Грустно, дяденьки…

А не вспомнить ли нам опять про зарядовые разбалансы? Да с удовольствием. Когда, при сильном прямом токе, посторонние электроны продираются сквозь материал полупроводникового диода, они ударно возбуждают атомы. В p-области, энергии возбуждения превращаются в энергию положительных зарядовых разбалансов, а в n-области — в энергию отрицательных зарядовых разбалансов. Эти превращения особенно эффективны для энергий возбуждения, соответствующих полосе оптического поглощения. Дальше получается вот что: подчиняясь приложенному прямому напряжению, зарядовые разбалансы мигрируют к p-n-переходу. И некоторые тамошние атомы оказываются в состоянии, которое по-простому называется «ни то, ни сё». А именно: в одной из атомарных связок «протон-электрон», со стороны p-области, оказывается положительный зарядовый разбаланс, а в другой, со стороны n-области — отрицательный зарядовый разбаланс. Это — непорядок. Он быстренько исправляется: делается сброс энергии этих противоположных зарядовых разбалансов — через превращение её в световую энергию. Отполировать две боковые граньки кристалла, чтобы получился резонатор — и свет будет не простой, а лазерный. Делов-то!