18. Транзисторная революция

В предыдущих главах основы электромагнетизма позволили нам понять многие аспекты одной из его дочерних дисциплин – электричества. До сих пор объектом нашего внимания была аналоговая электроника. Между тем в течение последних десятилетий цифровые технологии во многих областях заменили аналоговые: их изучение и будет целью данной главы. Ключевым компонентом, лежащим в основе этой революции, является транзистор, который, в частности, составляет основу компьютеров. Чтобы понять, как он работает, нам нужно будет описать материалы, обладающие чрезвычайной важностью, – полупроводники. Нам также представится случай рассказать о принципе работы и пользе другой составляющей электроники – диода. Наконец, мы объясним значение цифровых технологий в повышении качества сигналов и информатике.

1. Полупроводники

Пара электрон – дырка

Поведение полупроводников на микроскопическом уровне

До сих пор мы четко различали понятия диэлектрика и проводника. Проводники состоят из атомов, вокруг которых вращаются электроны. Некоторые из этих электронов способны естественным образом отделяться под действием соседних атомов: этот электрон может свободно перемещаться, переходя от одного атома к другому (подобно молекулам в жидкости). Перемещаясь, эти свободные электроны могут создавать в проводнике ток.

Существуют материалы промежуточные между диэлектриками и проводниками – полупроводники. В таких материалах электроны атомов остаются электростатически связанными со своими атомами, потому что близости соседних атомов недостаточно, чтобы полностью разорвать эту связь. В этом случае электроны могут покинуть свой атом, только если у них достаточно энергии, чтобы это сделать: на практике все зависит от температуры окружающей среды.

Если температура достаточно высока, столкновения между атомами могут дать необходимую энергию, чтобы некоторые электроны освободились от своих атомов. В этом случае говорят, что свободные электроны переходят из зоны валентности в зону проводимости: поскольку эти электроны могут перемещаться, в веществе может возникнуть ток.

Мы видим, что полупроводники являются проводниками в большей или меньшей степени в зависимости от температуры. Обычной температуры может хватить, чтобы освободить достаточно электронов, но сопротивление полупроводников остается таким же высоким, как и у проводников. Наиболее часто используемым элементом, из которого можно получить полупроводник, является кремний.

Различные носители заряда

В главе 22 мы увидим, что кремний обладает четырьмя «валентными электронами»: это самые внешние электроны атома, те, которым легче всего освободиться. Если температура достаточно высока, некоторые из этих электронов могут освободиться и перемещаться в веществе: там, где раньше был электрон, у атома образуется «дырка». В таких случаях говорят, что образовалась пара электрон – дырка (➙ рис. 18.1.а).

Атом, в котором образовалась дырка, становится положительно заряженным. В отличие от свободного электрона, который заряжен отрицательно, этот атом не может перемещаться, сжатый своими соседями. С другой стороны, валентный электрон соседнего атома может заполнить собой дырку: у атома снова есть все валентные электроны, однако в соседнем атоме теперь образовалась дырка из-за ушедшего электрона. В конечном итоге это равносильно тому, как если бы переместилась сама дырка из одного атома в другой, а с ней и положительный заряд (➙ рис. 18.1.b).

Рис. 18.1 – Схематичное изображение полупроводника на микроскопическом уровне

Большие круги представляют собой атомы, например кремния. Черные круги – электроны.

(а) – валентный электрон освобождается и становится свободным электроном: на его месте в атоме возникает дырка.

(b) – изображены два типа тока, которые могут возникнуть: первый – из-за перемещения свободных электронов, второй – из-за перемещения дырок

Таким образом, в полупроводнике ток может возникнуть по двум причинам:

• перемещение отрицательно заряженных свободных электронов;

• перемещение дыр из атома в атом, что приводит к перемещению положительных зарядов.

Легирование

Легирование n-типа

Предположим, что к четырехвалентному кремнию мы подцепили атом с пятью валентными электронами (например, фосфора, ➙ рис. 18.2.а). По сравнению с соседними атомами кремния в этом атоме появился «лишний» электрон: можно продемонстрировать, что этот лишний электрон освобождается гораздо легче и может, таким образом, сразу присоединиться к потоку свободных электронов вещества. В итоге вещество получает бо́льшую проводимость благодаря большему числу свободных электронов.

Рис. 18.2 – Легирование полупроводников

(а) – атом фосфора был помещен в кремний: он принес дополнительный свободный электрон в придачу к уже существующим парам электрон – дырка в кремнии. Вещество приобретает бóльшую проводимость.

(b) – атом бора был помещен в кремний: он принес дополнительную дырку уже существующим парам электрон – дырка в кремнии. Вещество приобретает бóльшую проводимость.

В этом случае говорят, что полупроводник подвергся легированию n-типа: буква n означает, что повысилось количество отрицательно заряженных (negative) свободных электронов. В этом типе вещества во время прохождения тока заряд переносят свободные электроны, а не дырки.

Легирование p-типа

Таким же образом снова возьмем наш четырехвалентный кремний и подцепим к нему атом с тремя валентными электронами (например, бора, ➙ рис. 18.2.b). Теперь у одного атома на один электрон меньше по сравнению с соседними атомами кремния, то есть в нем есть «дырка» относительно распределения валентных электронов вещества. Можно продемонстрировать, что электроны соседних атомов естественным образом стремятся заполнить дыру: таким образом, дырка может перемещаться из атома в атом внутри вещества. По мере ее перемещения движется и положительный заряд по атомам, в которых не хватает электрона.

В итоге вещество и здесь приобретает бо́льшую проводимость, поскольку обладает большим числом дырок: больше валентных электронов могут перемещаться от дырки к дырке, перенося по пути заряд. В этом случае говорят, что полупроводник подвергся легированию p-типа: буква p означает перемещение положительного (positive) заряда по атомам. В данном типе вещества во время прохождения тока заряд переносят не свободные электроны, а дырки.