В современной технике много чудес, о котоых совсем недавно можно было только мечтать. Представьте себе радиоприемник, который спрятан в пилюле, похожей на лекарственную. Ее можно проглотить, и пойдут радиосигналы прямо из желудка, они расскажут врачам о сотоянии внутренних органов больного. Приборы космического корабля питаются электрическим током от маленьких темных пластинок, сложенных в виде щита. Солнечный свет падает на пластинки и превращается в электрическую энергию. Существует устройство, которое зимой оборевает дом за счет мороза, а летом охлаждает его за счет уличной жары.

Созданы термометры величиной с булавочную головку, холодильники не больше наперстка и многие другие удивиельные и полезные приборы. Во всех этих приборах действуют полупро- водниковые материалы. Полупроводники широко и многообразно применяются в современной технике. К ним относится много веществ: кристаллы германия, кремния, селена, углерода, разнообразные спла вы и окислы. Есть полупроводники стекловидные и даже жидкие. Наука о полупроводниках появилась недавно. И сейчас во всем мире исследуются их свойства. В нашей стране этой проблемой занимаются многочисленные коллективы специалисов, в том числе целая школа ученых, созданная крупнейшим советским физиком академиком А. Ф. Иоффе.

ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

Медная проволока хорошо проводит электрический ток. Поэтому медь, как и другие металлы, называют проводником. А фарфоровый ролик или какой-нибудь предмет из эбонита не пропускают ток. Это — изоляторы. Любое вещество построено из очень большого количества атомов. А в каждом атоме есть сравнительно массивное, положительно заряженное ядро, вокруг которого кружатся электроны — легкие частицы, несущие отрицательный заряд. И вот оказывается, что наружные, так называемые валентные электроны атомов (те самые, что создают химические связи) ведут себя в проводниках иначе, чем изоляторах. В металле валентные электроны не удерживаются у атомов, соскакивают с них и свободно блуждают, образуя внутри металла своеобразный электронный газ. Правда, частицы этого газa — электроны — не могут уйти из металла. Общее притяжение положительно заряженных ядер надежно удерживает электронный газ внутри металлического предмета. Можно считать, что валентные электроны там обобществлены: принадлежат сразу всем атомам вместе, да каждому из них в отдельности. Стоит прижать металлическую проволочку к полюсам электрической батареи, как частички электронного газа подхватываются электрическим полем и устремляются к положительному полюсу. По металлу начинает течь электрический ток (рис. 1). Из школьных опытов читатель, вероятно, помнит, что при нагревании проводника его электропроводность падает. Спираль электрической плитки сразу после включения в сеть обладает значительно меньшим сопротивлением, чем когда докрасна раскалится. Как это можно объяснить? Электронный поток в металле пробивается через кристаллическую решетку атомов, лишенных внешних электронов. Но ведь атомы не стоят неподвижно. Чем выше температура, тем сильнее колеблется решетка. И электронному потоку все труднее пробиваться сквозь неё, ибо раскачивающиеся из стороны в сторону атомы сбивают электроны с пути. В фарфоре, как и в любом другом изоляторе, дело обстоит иначе. Электронного газа там нет, атомы крепко удерживают свои внешние электроны . В изоляторе нечему переносить ток. Правда, если очень сильно разогреть изолятор, его иногда все же можно сделать электропроводным: при интенсивном тепловом движении атомы начнут терять валентные электроны, которые и станут носителями тока. На этом принципе, кстати сказать, устроены «градусники», измеряющие очень высокую температуру (выше тысячи градусов).

ЭЛЕКТРОНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике «сидит» в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Участвуя в тепловом движении, атомы раскачиваются и теряют наружные электроны. При нагревании полупроводника в нем увеличивается количество электронного газа, т. е. свободных электронов, способных переносить электрический ток. Значит, полупроводник при нагревании не уменьшает, как металл, а, наоборот, увеличи- вает свою электропроводность . В этом заключается важный физический признак любого полупроводникового материала. Характерна и другая особенность. Оказы- вается, в полупроводнике переносят ток не только оторвавшиеся от атомов электроны, но и электроны, которые сравнительно слабо связаны с атомами и могут освобождаться под действием тепловых колебаний или под действием электрического поля. В куске полупроводника, соединенном с полюсами электрической батареи, атомы кристаллической решетки колеблются. Электроны с них срываются, тотчас подхватываются электрическим полем иI летят к положительному полюсу. Но в каждом атоме, избавившемся от электрона, остается как бы «свободное место». Оно остается пустым лишь ничтожное мгновение. Под действием электрического поля на него сразу же переходит электрон с соседнего атома. Не получая полную свободу, такой электрон просто «меняет хозяина»; он стремится при этом двигаться туда, куда его влечет электрическое поле батареи. Но, «скакнув» на освободившееся место, электрон-«перебежчик» освобождает место, на котором был раньше. Туда тоже устремляется электрон с более далекого атома. На место этого электрона «соскакивает» с соседнего атома следующий электрон и т. д. Словом, стремясь к положительному полюсу батареи, электроны как бы «скачут» по атомам. Это создает значительную добавку к обычному электронному току, текущему через полупроводник. Такая добавка называется «дырочным» током. А «свободные места», по которым «прыгают» в атомах связанные электроны, физики именуют «дырками».

ДЫРКИ

Вот сравнеие, которое поможет лучше уяснить, в чём сущность понятия «дырки». В театре сидит публика. Зал заполнен до отказа. Но вот кто-то, сидящий с краю на первом ряду, уходит, оставляя пустой стул. Это и есть дырка. На освободившееся место тотчас пересаживается зритель из второго ряда, оставляя пустой стул (дырку) уже во втором ряду. Снова пересадка — и свободное место (дырка) перекочевала в третий ряд. Так, зрители один за другим передвигаются к сцене, а пустое место тем временем отодвигается назад. В полупроводнике дырка ведет себя подобно пустому месту в театральном зале. Когда по полупроводнику течет ток, электроны и дырки бегут в противоположных направлениях. И вот что существенно: дырки движутся к отрицательному полюсу, т. е. как частички, несущие положительный электрический заряд. Закономерности движения дырок таковы, что этим «пустым местам» физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и «эффективную массу» : принимают для удобства расчётов, что дырки обладают определённой массой (немного большей, чем у электронов, потому что дырки не так подвижны, как электроны). Выходит, что поведение дырки во всём подобно поведению материальнойчастицы с самым маленьким в природе положительным зарядом. Принято считать, что эта частица, как исвободны й электрон, служит в полупроводнике носителем электрического тока. Разумеется, надо помнить, что дырка понятие чисто условное.Это совсем не настоящая частица. Насамомделе в ней нет низаряда, ни массы.Пользуются понятием «дырки» лишь ради удобства, чтобы избежать сложных и громоздких рассуждений.