Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Представьте себе кристалл, одна часть которого имеет n-тип и подключена к «минусу» батареи, а вторая — p-тип и подключена к «плюсу». Когда цепь замкнута, электроны первой части отталкиваются от отрицательного электрода и устремляются к месту перехода между двумя половинами, а дырки второй части отталкиваются от положительного электрода и также устремляются к месту перехода. Там электроны нейтрализуют дырки и, отталкиваясь от положительного электрода, создают новые. Таким образом, все время, пока замкнута электрическая цепь, в кристалле течет ток.

Электроны и дырки

А теперь представьте, что кристалл подключен к батарее наоборот: половина n-типа — к «плюсу», а p-типа — к «минусу». В этом случае электроны притягиваются к положительному электроду, дырки — к отрицательному, и сначала в месте перехода, а затем и во всем кристалле не остается ни дырок, ни свободных электронов, то есть кристалл перестает проводить ток.

Короче говоря, в таком n-р-кристалле ток течет лишь в одном направлении. Такой n-p-кристалл может выпрямлять переменный ток. Кроме того, его часть n-типа может заменить нить вакуумной трубки, а часть p-типа — пластину, а сам кристалл будет работать как диод. Такое устройство называется диодом на p-n-переходе.

Полупроводниковые аналоги существуют и у триодов. В этом случае кристалл состоит из трех зон: n-типа по бокам и p-типа в середине. Зона p-типа является модулятором. Таким образом, в таком кристалле два перехода — n-p и p-n.

Если подключить один конец кристалла к «минусу», а второй — к «плюсу» батареи, то электроны, отталкиваемые отрицательным электродом, устремятся к зоне p-типа, а электроны, притягиваемые положительным полюсом, будут удаляться от зоны p-типа, и за счет этого начнут двигаться электроны зоны p-типа. То есть электроны будут перемещаться из одного конца кристалла в другой, при этом p-зона будет тормозить их движение. Изменяя заряд зоны p-типа, можно регулировать скорость электронного потока.

Такой триод был впервые создан в 1948 году английским физиком Уильямом Шокли (1910–1989) совместно с американскими физиками Джоном Бардином (1908–1991) и Уолтером Браттейном (1902–1987). Устройство получило название плоскостной полупроводниковый триод, или транзистор (от англ. transfer — проводить и resistor — сопротивление. — Пер.).

В природе иногда встречаются неидеальные кристаллы полупроводников с примесью других элементов в нужной пропорции. В первые дни радио, еще до появления электровакуумных приборов, такие кристаллы уже использовались для выпрямления электрического тока. Приемники на таких кристаллах назывались детекторными.

В свое время развитие электровакуумных ламп привело к прекращению использования детекторных приемников, однако появление транзисторов возродило кристалл. У транзисторов несколько преимуществ по сравнению с лампами. Транзисторы твердотельные, им не нужен вакуум, а значит, и ударопрочность у них выше. Так как у транзисторов нет нити накаливания, то, в отличие от ламп, им не нужно разогреваться, да и работают они дольше. А самое главное — размеры транзистора могут быть в десятки, сотни, тысячи раз меньше, чем у вакуумной трубки.

Радиоприемник на лампах — это большой и громоздкий ящик, а транзисторный радиоприемник можно сделать размером с пачку сигарет. Использование транзисторов привело к миниатюризации абсолютно всех приборов. Особенно это заметно в вычислительной технике, ведь количество ламп в ламповых компьютерах достигает нескольких тысяч! С появлением транзисторов размеры таких компьютеров уменьшились в десятки раз.

Полупроводники можно также использовать для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Феномен теплоэлектричества был открыт в 1921 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (1770–1831). Он обнаружил, что если при нагревании двух различных соединенных между собой металлов поместить в месте соприкосновения этих металлов иголку, то она будет отклоняться. Феномен получил название явление Зеебека, или термоэлектрический эффект.

Таким образом, при нагревании в цепи появляется электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля. Однако Зеебек полагал, что эффект этот чисто магнитный, а не электромагнитный (в то время ученые только начинали говорить о связи между электричеством и магнетизмом, и интерес к явлению Зеебека угас вплоть до середины XX века).

Рассмотрим полупроводник n-типа, одна сторона которого подвергается нагреванию. Электроны этой половины под действием температуры будут перемещаться на одну энергетическую зону, откуда они и начнут дрейфовать к холодному концу кристалла. В кристалле возникает электрический ток (холодная половина — «минус», горячая — «плюс»). То же самое происходит и в обычном проводнике, однако в холодной половине обычного проводника и без того много свободных электронов, которые начнут отталкивать электроны, поступающие из нагреваемой половины, и электрический ток будет крайне слабым. А в холодной половине полупроводника свободных электронов практически нет, значит, и дрейфующие электроны отталкивать нечему, поэтому при нагревании в полупроводнике возникает гораздо больший, чем в обычном проводнике, электрический потенциал.

При нагревании одного конца полупроводника p-типа под действием энергии извне электроны становятся гораздо более подвижными и дырки этой половины заполняются быстрее, а в холодной половине образуются новые дырки. Таким образом, дырки дрейфуют от нагреваемого конца кристалла к холодному и в полупроводнике появляется электрический ток (нагреваемая часть — «минус», холодная — «плюс»).

Если соединить полупроводники n-типа и p-типа и подвергнуть место соединения нагреванию, то электроны холодной половины полупроводника p-типа через переход устремятся в сторону холодного конца полупроводника n-типа. Если подключить такой кристалл в электрическую цепь, то, пока кристалл подвергается нагреванию, в цепи будет электрический ток. Таким образом, с помощью полупроводника и, например, керосиновой лампы можно создать генератор электрического тока без движущихся частей.

Можно добиться и обратного эффекта. Если пропустить электрический ток через электрическую цепь из нескольких полупроводников, то кристаллы начнут выделять тепло. Это явление впервые наблюдал французский физик Жан Шарль Пельтье (1785–1845) в 1834 году, поэтому оно и получило название эффект Пельтье (или электротермический эффект). Если же пропустить электрический ток через соединенные с одного конца кристаллы полупроводников p-типа и n-типа, то один конец такого кристалла будет нагреваться, а второй, наоборот, охлаждаться.

С помощью полупроводников можно также преобразовывать свет в электрическую энергию. Такая солнечная батарея состоит из полупроводника n-типа, покрытого тонким слоем полупроводника p-типа. В части n-типа присутствует огромное количество свободных электронов, которые устремляются в дырки части p-типа, и, пока все дырки не заполнены, между двумя полупроводниками на очень короткое время возникает электрический ток.