{7}

 

АТОМЫ

Земля и воздух, скалы и море, цветок и тончайшая жилка нашего тела — все построено из неисчислимых мириадов атомов. Каждый из них невообразимо мал. Возле булавочной головки атом словно булавочная головка рядом с Эльбрусом. А построен атом из частичек, еще в сотни тысяч раз меньших, чем он сам.

В центре его массивное ядро — кладовая атомной энергии, до которой сейчас дотянулась рука человека. Ядро несет положительный электрический заряд. Вокруг ядра движутся легкие, отрицательно заряженные электроны. Они удерживаются возле ядра, послушные всеобщему физическому закону: тела, которые имеют разноименные электрические заряды, притягиваются друг к другу.

Разнообразны ли атомы?

Не слишком. Вместе с созданными в последние годы искусственным путем науке известно сто видов атомов. Вот и все, если не считать разных сортов каждого вида. И из этого ассортимента частиц построено бесконечное многообразие тел и веществ Вселенной.  {9} 

Отличаются атомы разных видов неодинаковым зарядом ядер.

У ядра простейшего водородного атома самый маленький заряд. И электрон в таком атоме один-единственный. Ядра атомов меди гораздо богаче зарядом — в двадцать девять раз. Стало быть, и электронов там по двадцать девять у каждого атома.

Располагаются электроны атома в строгом порядке. Они движутся по замкнутым путям-орбитам, которые образуют несколько оболочек, охватывающих ядро.

Чем ближе электронная оболочка к ядру, тем крепче связаны с ним ее электроны. Чтобы выбить электрон с внутренней оболочки, нужен сильный толчок — большая энергия. Легче оторвать электроны, «обитающие» на последующих оболочках.

Электроны самой верхней, внешней, оболочки играют важнейшую роль. Они связывают атомы в кристаллическую структуру, соединяют их в молекулы. Химические процессы, электрическое состояние тел и многое другое определяются поведением электронов внешних атомных оболочек.

Как же ведут себя внешние электроны в различных веществах?

 

ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛЕ И ИЗОЛЯТОРЕ

Внешние электроны не удерживаются в атомах медной проволочки: слишком слабо они связаны с ядрами «своих» атомов. Атомы все время беспорядочно перемещаются и как бы стряхивают с себя внешние электроны. Эти «оторвавшиеся» электроны блуждают по кусочку металла, участвуя в общем беспорядочном тепловом движении, которое тем активнее, чем выше температура проволочки.

В мире электронов незаметно тяготение Земли. Объясняется это просто: слишком легки такие частицы и слишком  {10}  быстро они движутся. Зато электроны послушны другой силе — электрической. Как камень падает вниз, притягиваемый Землей, так электроны, наделенные довольно значительным для такой легкой частички зарядом, меняют движение под действием электрического поля, которое создается в пространстве любым заряженным телом.

Прижмем концы проволочки к полюсам электрической батарейки — металл тотчас пронизывается электрическим полем. Свободные электроны теперь не только участвуют в тепловом беспорядочном движении, но и перемещаются по проволочке к положительному полюсу батарейки, подхваченные полем. На место, освобожденное ушедшими электронами, поле выталкивает другие из отрицательного полюса батарейки. Они тоже уходят, уступая место новым и новым отрядам электронов: по проволочке побежал электрический ток.

Поток электронов в металле неспокойный. Ведь на их пути то и дело попадаются атомы, которые к тому же сами перемещаются, участвуя в тепловом движении. Поэтому при нагревании проволочки электронному потоку труднее становится пробиваться вперед. По мере повышения температуры сила тока уменьшается. В этом свойстве — важный признак электропроводности металла.

В металле многие электроны не связаны с каждым атомом в отдельности и беспорядочно блуждают между ними.

{11}

Кусочек металла соединен с полюсами электрической батарейки. Его пронизывает электрическое поле, которое подхватывает электроны и устремляет их к положительному полюсу.

В изоляторе внешние электроны прочно удерживаются у своих атомов. Поэтому здесь нечему переносить электрический ток.

{12}

Заметим кстати: электрический ток и сам разогревает проволочку. Чем обильнее поток электронов, тем сильнее он расталкивает атомы, увеличивая энергию их теплового движения.

В изоляторе все обстоит проще. Резина, фарфор, стекло тоже, конечно, построены из атомов. Как и в металле, атомы там подвержены беспорядочному тепловому движению. Но электроны внешних оболочек надежно связаны с ядрами атомов изолятора. Там нет свободных электронов, а значит, нечему создать электрический ток.

Впрочем, если мы раскалим изолятор, он может потерять изолирующие свойства. Связи между атомами станут иными. Поэтому при сильном нагревании некоторые изоляторы превращаются в полупроводники. Каковы же особенности полупроводников?

 

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

Бросим медную проволочку в жаркую печь — с температурой в тысячу градусов. Проволочка только-только не расплавится, а на ее поверхности начнется активная реакция химического соединения металла с кислородом воздуха. Каждая пара атомов меди свяжется с одним атомом кислорода. Пройдет несколько минут, и проволочка покроется черным веществом, которое называется закисью меди. Соскоблим ее и отдадим в химическую лабораторию — попросим тщательнейшим образом очистить закись от примесей. И если химики аккуратно выполнят наше задание, мы получим от них кусочек идеально чистого, классического полупроводника.

Проведем с ним несколько опытов.

Проверим сначала, как он будет проводить электрический ток.  {13} 

Выяснится, что гораздо хуже меди. Это для нас не будет неожиданностью: поэтому он и носит название полупроводника.

Зато нам покажется странным результат другого эксперимента. Чем сильнее мы станем нагревать кристаллик закиси, тем лучше он будет проводить ток. В медной проволочке, как мы помним, наблюдалось прямо противоположное явление.

В чем же тут дело?

В полупроводнике внешние электроны принадлежат обычно сразу паре соседних атомов, осуществляя их связь в кристалле. Но связаны они с ядрами не слишком сильно. Поднимается температура — и увеличивается энергия беспорядочного теплового движения. В результате при нагревании нарушаются связи между атомами, все больше электронов обретает свободу, а заодно и способность переносить электрический ток.

Теперь как будто все стало понятно. Но если бы мы только из этих соображений составили математические уравнения и провели теоретический расчет электропроводности кристаллика закиси, нас постигло бы разочарование. Вычисленная электропроводность получилась бы почти вдвое меньше, чем действительная, наблюдающаяся на опыте.

Значит, какой-то стороны явления мы не учли.

Какой же?

Чтобы отыскать ответ, отправимся в экскурсию — в театр юного зрителя.

 

ПУСТОЙ СТУЛ

Сегодня идет отличная пьеса, и театральный зал полон. Но мы не будем смотреть на сцену. Обратим внимание на незначительное происшествие в зрительном зале.  {14} 

Мы сидим возле прохода и смотрим на другую его сторону. Все места с первого ряда до последнего заняты. Ребята с увлечением смотрят спектакль. Но вот в первом ряду с краю освободилось место. Сидевший на нем школьник почему-то ушел.

Как только стул в первом ряду освободился, на него немедленно перескочил вихрастый пионер — обитатель крайнего места во втором ряду. Пионера можно понять: во втором ряду сидеть неплохо, но в первом, разумеется, лучше. А дальше? Девочка с косичками, что сидела с краю в третьем ряду, быстро перебежала на место вихрастого пионера во втором ряду. На опустевший стул девочки пересела ее подружка из четвертого ряда, на ее место — мальчик из пятого ряда. Словом, все обитатели крайних стульев у прохода передвинулись на одно место вперед. А пустое место в то же время перекочевало через весь зал назад — от первого ряда до последнего. Вот и все, что нам нужно было увидеть в театре. Теперь можно вернуться в мир атомов и электронов.

 

КАК В ТЕАТРЕ

Представим ненадолго, что мы сжались в миллионы миллионов раз и научились видеть невидимые явления, причем в тысячи раз медленнее, чем они происходят на самом деле. Обретя эту сказочную способность, проникнем в недра нашего кусочка закиси, присоединенного к электрической батарейке — правым концом к ее положительному полюсу, а левым к отрицательному.

Какая картина предстанет перед нами?

В общих чертах ее можно представить себе следующим образом (очень условно и упрощенно).

Безостановочно движутся атомы. Их связывают между собой электроны внешних оболочек. Вот один из внешних электронов получил толчок. Связь нарушилась — в  {15}  ней словно образовалась брешь, а электрон стал свободным и унесся вправо, подхваченный невидимой силой электрического поля.

Но место, где только что пребывал электрон, лишь мгновение оставалось пустым. Подобно тому, как в театре вихрастый пионер из второго ряда быстро пересел на опустевший стул в первом ряду, место улетевшего электрона тотчас занял другой электрон — с внешней оболочки соседнего слева атома. Этот «пересевший» электрон вовсе не обладал большой энергией. Никаких, чрезмерно сильных ударов он не получил. Он просто как бы соскользнул с одного места на другое, словно сдутый легким ветерком электрического поля. Ведь в атомах полупроводника электроны связаны слабее, чем в изоляторе.

После этой «пересадки» между первым левым атомом и его соседом Электронная связь нарушилась — там осталось пустующее место. Его тут же занимает электрон со следующей влево связи атомов. Туда соскальзывает внешний электрон третьего слева атома и так далее.

В зрительном зале театра ребята пересаживались на стул вперед, стремясь быть поближе к сцене. Здесь же внешние электроны атомов перескакивают один за другим вправо (туда их тянет электрическое поле). Причем каждый — на один только шаг.

Правда, на самом деле это явление значительно сложнее, оно сильно запутывается беспорядочным тепловым движением частичек. Но в основе оно именно таково, как мы описали.

 

ДВА ТОКА

Итак, в полупроводнике электрический ток создается не только теми электронами, которые по каким-то причинам освобождаются из «плена» атомов.

Электроны, не освободившиеся совсем, а только перескакивающие с атома на атом, перемещаются туда, куда их влечет электрическое поле. А такое движение зарядов тоже представляет собой не что иное, как электрический ток.

{16}

Зрители в театральном зале один за другим пересаживаются ближе к сцене.

Внешние электроны атомов полупроводника «меняют хозяев» — перескакивают на «освободившиеся места» в том направлении, куда их влечет электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад, словно освободившееся место в зрительном зале театра.

{17}

Мы приходим к выводу: в полупроводнике существуют два электрических тока. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов свободными электронами. Он и называется электронным. Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Ему дали имя дырочного. Откуда взялось это название?

Давайте сообразим, как можно рассказать о происшествии, которое мы наблюдали в зрительном зале детского театра.

Приходят в голову такое описание: на освободившееся место в первом ряду пересел зритель из второго ряда; на место, освобожденное зрителем второго ряда, пересел зритель из третьего ряда; . . . на место, освобожденное зрителем тридцать девятого ряда, пересел зритель из сорокового ряда. Как много слов! Как долго их читать! А попробуйте обойтись без них, когда еще неизвестна сущность явления. Трудно! Не случайно примерно так мы и объясняли его в первый раз. Иначе запутались бы.

Но если мы знаем, какое событие произошло в зрительном зале, сказать о нем можно уже гораздо экономнее: освободившееся место переместилось с первого ряда в сороковой.

В кристаллике полупроводника мы подметили похожее явление. И опять, вместо того чтобы нудно перечислять перемещения электронов на один шаг слева направо, мы можем коротко сказать: нарушенная связь между атомами перекочевала через весь кристалл справа налево. Эту нарушенную связь физики предложили назвать попросту дыркой. Теперь явление описывается совсем экономно: дырка движется через кристаллик справа налево.

{18}

 

ФАЛЬШИВАЯ ЧАСТИЦА

Дырка кочует в направлении к отрицательному полюсу электрической батарейки. Значит, она ведет себя как частица, имеющая положительный электрический заряд. Если продолжать такую чисто условную аналогию, то окажется, что заряд ее можно принять равным по величине заряду электрона.

Таким образом, для удобства описаний и расчетов физики условились говорить, что в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек — свободных электронов, — носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Отсюда и название двух токов — электронный и дырочный.

Надо всегда помнить, что подлинные носители тока — электроны, а дырка — это совсем не настоящая частица. На самом деле в ней нет ни массы, ни заряда, как нет теста в дырке бублика.

В нашем полупроводниковом кристаллике освобождению электронов сопутствует возникновение такого же количества дырок. Под действием электрического поля электроны и дырки устремляются в противоположные стороны. Это значит, что в кристалле одновременно возникают электронный и дырочный токи. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Добавим, что свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает — он немного сильнее дырочного.

Вы думаете, мы уже полностью раскрыли внутренние причины проводимости кристалла? Нет. Недаром мы отдавали закись меди на очистку в химическую лабораторию.

То, о чем вы до сих пор читали, относится только к идеально чистым материалам. В реальных же полупроводниках, где обязательно есть примеси, хотя, может быть, и очень небольшие, дело обстоит сложнее.

{19}

 

АТОМЫ-ГОСТИ

Вспомним знакомый нам слой закиси меди на проволочке, побывавшей в горячей печи.

Какие примеси он имел до того, как попал на очистку в лабораторию?

Из меди в слой закиси проникают «лишние» атомы меди, а из воздуха — «лишние» атомы - кислорода.

С наружной стороны он был наверняка загрязнен лишними атомами кислорода. Они попали туда из воздуха. С внутренней стороны (той, что прилегает к металлу) в закись вкраплены лишние атомы меди.

Сравним, что лучше пропускает электрический ток: идеально чистая закись или же загрязненная небольшим количеством атомов меди?

Опыт покажет, что добавка «лишних» атомов меди резко увеличивает электропроводность полупроводника. Чем это объяснить? Внешние электроны пришлых атомов меди обретают свободу гораздо легче, чем внешние электроны атомов закиси; причем освобождение электронов из медных атомов примеси не сопровождается появлением дырок. На опустевшие места в пришлых медных атомах электроны атомов закиси не попадают, им на это не хватает энергии. Таким образом, «лишние» атомы меди служат источниками только свободных электронов, которые и играют в таком полупроводнике роль основных носителей тока. Подобные примеси называются донорными, а включающие их полупроводники — электронными.  {20} 

Итак, излишек меди увеличил проводимость закиси. Пожалуй, такой исход опыта не явился для нас неожиданностью: к полупроводниковому материалу подбавилось немного металла, и резонно было ожидать, что электропроводность вещества от этого улучшится. Но если так, то, вероятно, добавка кислорода, который не проявляет никаких свойств металла, должна уменьшить электропроводность закиси?

Ничего подобного!

Поставив опыт, мы убедимся, что этого не наблюдается. Малая примесь атомов кислорода не только не снижает, а, наоборот, значительно повышает проводимость закиси — почти так же, как и добавка атомов меди. Опять загадка!

Разгадывается она, впрочем, довольно легко.

 

ЛОВЦЫ ЭЛЕКТРОНОВ

Мы помним: не только свободные электроны могут быть в полупроводнике передатчиками тока. Ведь такую роль способны играть и дырки — места, оставленные электронами. И оказывается, избыточными атомами кислорода в закиси меди создаются дырки. Как это происходит?

«Лишний» атом кислорода не только крепко держит собственные электроны. Он втягивает на свою внешнюю оболочку электроны со стороны. Электрону, связанному с атомом закиси, гораздо легче переместиться на пришлый атом кислорода, чем совсем вырваться на волю. Но выловленные примесью кислорода электроны оставляют бреши, пустые места, в электронных связях между атомами закиси. В полупроводнике появляется избыток этих не занятых электронами мест — излишек дырок. Они и становятся здесь основными носителями тока.

Полупроводники, наделенные такими примесями,  {21}  физики называют дырочными. А сами примеси получили имя акцепторных.

Как мы видели, закись меди может быть и электронным и дырочным полупроводником — смотря по тому, что к ней примешано. Это относится и ко всем другим полупроводниковым материалам. Выходит, атомы-гости очень сильно влияют на характер и поведение атомов-хозяев. Часто самые ничтожные дозы примесей резко меняют электрические свойства полупроводника. Электропроводность повышается в десятки, сотни, тысячи, даже в сотни тысяч раз! Исключительно возрастает зависимость ее от температуры и других внешних воздействий.

Но главное вот что: вводя в очищенный полупроводник те или иные примеси в определенных количествах, человек может сознательно управлять электрическими свойствами подобных материалов. «Лишние» атомы оказываются совсем не лишними. В конечном счете именно эта возможность повела к созданию великого множества полупроводниковых приборов и устройств.

 

О ПОДЛИННОЙ ТЕОРИИ

Прежде чем рассказывать дальше, автор вынужден принести извинение.

Для наглядности и понятности объяснений пришлось несколько упростить изложение физической сущности процессов. На самом деле ученые учитывают здесь многое, о чем нам пришлось умолчать.

Герой социалистического Труда академик Абрам Федорович Иоффе

Существует, в частности, на первый взгляд странное условие: электрон обладает противоречивыми свойствами: он ведет себя не только как частица, но и как волна. Этот факт трудно сразу осознать, физики к нему попросту привыкают — ничего не поделаешь, такова уж особенность  {22}  мира мельчайших частичек. Но доказано это совершенно неопровержимо.

И вот если учесть волновые свойства электрона и другие специфические особенности мельчайших частиц — их связи друг с другом, их взаимное влияние,— то все, о чем вы читали, удастся изложить совершенно строго, с точным количественным расчетом.

Такая работа очень трудна. На пути физиков появляется масса непредвиденных препятствий. Чтобы освободиться от них, приходится выдвигать разнообразные гипотезы, проводить огромные вычисления, ставить сложные опыты.

Вот почему создание теории полупроводников — замечательная победа науки. Это итог долголетних исканий многих исследователей. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Федоровичем Иоффе.

Сейчас теория полупроводников продолжает развиваться и совершенствоваться.

 

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Итак, наука разгадала секреты электропроводности полупроводников. Стала понятной роль свободных электронов и дырок, а также причина влияния примесей на свойства полупроводниковых материалов.

Что требуется сделать, чтобы получить полупроводник с теми или другими заранее «заказанными» свойствами?  {23} 

Теория подсказывает: надо сначала тщательнейшим образом очистить материал, а потом чуть «загрязнить» его специально подобранным веществом.

Загрязнить полупроводник, внести в него примесь, труда не составляет. А вот предварительно очистить его бывает подчас очень нелегко. Ведь иной раз требуется довести материал до такой степени чистоты, чтобы на десять миллиардов атомов приходился только один атом-чужак! Попытайтесь-ка найти несколько красных песчинок, затерявшихся в большом самосвале, доверху нагруженном желтым песком! Задания, которые получают химики, очищающие полупроводники, еще труднее: ведь атомы не ухватишь рукой: в одной песчинке их столько, сколько песчинок на морском берегу. И все-таки современная химия и металлургия успешно справляются с этой трудной задачей.

В кварцевой трубке — размолотый в порошок полупроводник. Кольцевая печка медленно движется слева направо. Порошок под ней плавится, и из жидкости выталкиваются примеси. Так полупроводники очищают от примесей.

Засолила хозяйка на зиму бочонок огурцов и поставила его в сарай. Однажды ударил сильный мороз, и рассол сверху замерз. Попробуйте кусочек льда. Вы удивитесь: он совсем несоленый.  {24} 

Вода вымерзла из рассола в чистом виде, а примесь соли осталась в растворе.

Схема установки для вытягивания полупроводниковых монокристаллов из расплава. Чтобы кристаллизация шла равномерно, ванна с расплавом и кристалл непрерывно вращаются в разные стороны.

Вымерзающее вещество почти всегда чище жидкости, из которой оно кристаллизуется. Явление это давно известно науке, и именно его обычно используют химики для очистки полупроводников. Материал размалывают в порошок и засыпают его в длинную кварцевую трубку толщиной в палец. Трубка укреплена горизонтально. Вдоль нее — от одного конца к другому — еле заметно движется маленькая электрическая печка: кольцо из керамики, с внутренней части которого проложена спираль (как у электроплитки). Эта кольцевая печка, плавит порошок в трубке, а по мере ее перемещения вперед расплав сзади застывает. Примеси словно выталкиваются вперед и отчасти назад (здесь играет роль неодинаковая способность примесей растворяться в твердом и жидком веществах).

В середине трубки получается чистое вещество. Впрочем, и при таком способе очистку приходится повторять много раз.

Для более тщательной очистки практикуют и другой метод: материал плавят, вводят в него маленький очищенный кристаллик, который затем медленно-медленно поднимают наверх. Кристаллик  {25}  разрастается. Чтобы кристаллизация шла правильнее, сосуд и затвердевший кристалл непрерывно вращают в разные стороны. Иногда всю эту операцию ведут в безвоздушной среде или в специальной защитной атмосфере. Из жидкого камня вытягивается целый столбик очищенного материала. С первого раза он и не всегда достаточно чист. Вытянутые столбики опять плавят, вытягивают новый, более чистый столбик, и так далее.

Получение химически чистых полупроводников — сложнейший производственный процесс. Он требует пока огромных сил и средств. Вот почему полупроводники еще недешевы, несмотря на обилие природного сырья для них. Научиться быстро и просто извлекать это сокровище — вот к чему стремятся сейчас ученые. И они добьются своего. Задача поставлена, путь ее решения виден.

{26}