В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

перемещены в зону проводимости40. В полупроводнике валентная зона заполнена и есть только узкая энергетическая прослойка между этой зоной и зоной проводимости, обычно в 1 эВ. В связи с этим электрону легко перепрыгнуть в зону проводимости и перенести электрический ток по материалу. Однако, в отличие от ситуации с проводником, электрон, получивший энергию, оставляет после себя дырку в валентной зоне. Точно так же, как и в описанном Дираком случае создания электронов и позитронов из энергии, это отсутствие отрицательно заряженного электрона в валентной зоне ведет себя - что касается электрических свойств, - как положительный заряд. Естественный полупроводник обычно обладает несколькими электронами в зоне проводимости и несколькими положительно заряженными дырками в валентной зоне, причем и электроны, и дырки могут переносить электрический ток. Можно представить себе, что электроны один за другим падают в дырку в валентной зоне и оставляют после себя дырку, в которую падает следующий электрон и так далее, а можно представить, что дырки - это настоящие положительно заряженные частицы, двигающиеся в противоположном направлении. Что касается электрического тока, эффект одинаков.

Естественные полупроводники довольно интересны, и не в последнюю очередь из-за того, что они представляют собой прекрасную аналогию создания пары электрон - позитрон. Но их электрические свойства с трудом поддаются контролю, а именно контроль сделал эти материалы столь важными для нашей повседневной жизни. Контроль достигается посредством создания искусственных полупроводников, один тип которых содержит большее количество свободных электронов, а другой - большее количество свободных «дырок».

И снова этот трюк просто понять, но не так просто заставить его работать на практике. Например, в кристалле германия каждый атом содержит на внешней оболочке четыре электрона (это квантовая кулинария на скорую руку, поэтому модель Бора вполне подходит для нее), которыми он «делится» с соседними атомами, чтобы создать химические связи, формирующие кристалл. Если германий «разбавлен» несколькими атомами мышьяка, атомы германия по-прежнему доминируют в структуре кристаллической решетки и атомам мышьяка приходится с трудом внедряться внутрь. В химическом смысле основное различие

Вообще-то существует и другой тип проводника, в котором валентная зона не заполнена и электроны могут перемещаться внутри нее.

между германием и мышьяком заключается в том, что у мышьяка есть пятый электрон на внешней оболочке и мышьяку легче всего внедриться в решетку германия, проигнорировав этот дополнительный электрон и установив четыре химические связи, притворившись, что он является атомом германия. Дополнительные электроны, оставшиеся у атомов мышьяка, движутся по полосе проводимости получившегося полупроводника, а соответствующие им дырки отсутствуют. Такой кристалл называется полупроводником п-типа.

Альтернативой является легирование германия (в соответствии с нашим первоначальным примером) галлием, у которого только три электрона образуют химическую связь. В результате мы будто создаем дырки в валентной зоне каждого атома галлия, и валентные электроны перемещаются, прыгая в дырки, которые ведут себя подобно положительным зарядам. Такой кристалл называется полупроводником p-типа. Самое интересное происходит, если приложить друг к другу два разных типа полупроводников. Избыток положительного заряда, с одной стороны, и отрицательного - с другой создает разницу электрического потенциала, которая пытается вытолкнуть электроны в одном направлении и мешает их движению в другом. Такая объединенная пара полупроводниковых кристаллов называется диодом и дает возможность электрическому току двигаться лишь в одном направлении. Углубляясь в детали, стоит отметить, что электроны возможно заставить перепрыгнуть в дырку, и при этом будет излучаться свет. Диоды, которые излучают свет таким образом, называются светодиодами, или СИД (светоизлучающими диодами). Они используются в многочисленных дисплеях. Диод, работающий противоположным образом - поглощающий свет и выбрасывающий электрон из дырки в соседнюю зону проводимости, является фотодиодом, который используется, когда необходимо обеспечить пропускание тока лишь при попадании пучка света на полупроводник. Это основа для автоматически открывающихся дверей, которые срабатывают, когда вы приближаетесь к ним, попадая в зону светового пучка. Однако полупроводники не ограничиваются только диодами.