Беседы об информатике

Теперь дело за малым. Не хватает только молекул тРНК, которые перетаскивали бы атомы сурьмы или алюминия в кремний и обратно, имитируя замыкание и размыкание контактов. Но мы же договорились не использовать движущихся систем! Просто рок какой-то тяготеет над нами. Пройти такой длинный путь, погрузиться в святая святых строения вещества и вновь столкнуться с необходимостью что-то там такое куда-то перетаскивать?! Ну что ж, давайте думать дальше.

Пользуйтесь подземным переходом

Когда долго не везет, надо попытаться «переломить» судьбу, иначе говоря, поступить наоборот. Нас не устраивает метод превращения изолятора в проводник за счет добавления примеси. Может, нам удастся сделать обратное, превратить проводник в изолятор? Ну что ж, попробуем. Поступим следующим образом.

Возьмем пластину кремния, содержащего относительно небольшое количество донорной примеси, то есть электронный полупроводник; поместим его в печь, содержащую пары алюминия, и нагреем до температуры чуть более тысячи градусов Цельсия. Под влиянием высокой температуры атомы алюминия приобретут энергию, достаточную для того, чтобы проникнуть на некоторую глубину в толщу кремниевой пластины. В результате получится как бы бутерброд. Нижняя часть пластинки по-прежнему представляет собой электронный полупроводник, а верхняя часть, в которой теперь преобладает примесь алюминия, представляет собой полупроводник дырочный.

Что произойдет сразу после образования дырочного слоя? Электроны в электронном полупроводнике участвуют в тепловом движении, перемещаясь в самых разных направлениях. Добавление новой примеси не должно как-то сказаться на поведении электронов. Среди них обязательно найдутся такие, которые пересекут границу и окажутся в области дырочного полупроводника.

Опять-таки, следует оговориться, что применительно к электронам употреблять слово «движение» — незаконный прием. Говорим мы так просто потому, что у нас нет подходящего слова для описания электронов. С тем же успехом мы могли бы сказать, что электроны никуда не движутся, а исчезают в одном месте и появляются в другом. Это снова будет неверно, поскольку электрон не может находиться в данном месте. А раз не может находиться, значит, не может ни исчезнуть, ни появиться. Как же сказать правильно? После образования в пластине двух слоев: электронного и дырочного — с электронами электронного слоя начинает происходить некоторый процесс, для описания которого у нас не хватает слов. Результатом этого процесса является то, что средняя концентрация электронов в дырочной части увеличивается.

Уловили разницу между только что сделанным описанием и предыдущим? Средняя концентрация электронов обнаруживается нашими измерительными приборами. Она проявляется, например, как величина отрицательного электрического заряда. Говоря «концентрация электронов увеличивается», мы подразумеваем под этими словами реальный физический процесс, скажем, отклонение стрелки на шкале измерительного прибора. За словами «электрон движется» мы не видим ничего, так как не может двигаться то, что не имеет определенного местоположения. При желании процесс, сопровождающийся изменением концентрации электронов, можно назвать диффузией. Так он и называется в серьезных книгах, хотя, честно говоря, слово «диффузия» не вносит ничего нового.

Дальше все значительно понятнее. В верхней части пластинки оказываются одновременно большая концентрация дырок, обязанных своим появлением примеси, и большая концентрация электронов, обязанных своим появлением диффузии. Такое соседство долго продолжаться не может. Дырки и электроны начинают, как говорят, рекомбинировать. Если проще, то электрон из свободной зоны проваливается в валентную зону и занимает там один из свободных уровней. В результате одна из дырок исчезает.

Происходит так до тех пор, пока в некотором слое, примыкающем к границе между электронным и дырочным полупроводниками, все дырки не рекомбинируют с электронами. Уровни валентной зоны в этом слое окажутся целиком заполненными. Но это еще не все. Электроны, диффундировавшие из нижней части пластинки в верхнюю, приносят с собой дополнительный отрицательный электрический заряд. После рекомбинаций этот заряд накапливается в приграничном слое и изгоняет оттуда (отталкивает) все непрорекомбинировавшие электроны.

Итак, на границе между электронным и дырочным полупроводниками в пластинке образуется слой, лишенный как дырок, так и электронов. Он называется обедненным слоем. Еще одно свойство обедненного слоя — то, что он несет в себе определенный электрический, в нашем случае отрицательный, заряд. Благодаря этому заряду между электронной и дырочной частями пластины устанавливается некоторая разность электрических потенциалов, говорят, потенциальный барьер.

Подобное образование вблизи границы между электронным и дырочным полупроводниками получило название p-n-перехода. Обычно ширина обедненного слоя в p-n-переходе имеет порядок от нескольких микрометров до нескольких долей микрометра.