Джефф Форшоу - Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть
Правая часть рис. 9.2 показывает, что происходит, если вместо фосфора мы загрязняем кремний атомами алюминия. Атомы алюминия вновь располагаются среди атомов кремния и прекрасно замещают их. Разница в том, что у алюминия на один электрон меньше, чем у кремния. Так в чистом кристалле появляются дырки, в то время как при фосфорном загрязнении появлялись лишние электроны. Эти дырки расположены вблизи от атомов алюминия, и их можно заполнить электронами, которые перескакивают из валентной зоны соседних атомов кремния. «Дырчатый» акцепторный уровень показан на рисунке. Он располагается прямо над валентной зоной, потому что электрон из атома кремния в валентной зоне может легко перескочить в дырку, оставленную атомом алюминия. В этом случае естественно считать, что электрический ток переносится дырками, поэтому такой тип загрязненного кремния называется р-типом (от слова positive – положительный). Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре уровень алюминиевого загрязнения может быть не более одной триллионной, прежде чем благодаря движению дырок из алюминия пойдет ток.
Итак, мы пока просто доказали, что можно сделать такой кусок кремния, который будет проводить ток – дав возможность либо электронам из атомов фосфора двигаться в зоне проводимости, либо дыркам из атомов алюминия двигаться в валентной зоне. Ну и что?
На рис. 9.3 показано, что мы на пути к чему-то важному: он демонстрирует, что происходит, если сложить вместе два куска кремния – один n-типа и один р-типа. Изначально в области n-типа движутся электроны из фосфора, а в области р-типа – электроны из алюминия.
Рис. 9.3. Соединение двух кусков кремния – n-типа и р-типа
В итоге электроны из области n-типа перетекают в область р-типа, а электроны из области р-типа – в область n-типа. В этом нет никакой загадки; электроны и дырки змеятся по сочленению двух материалов, как капля чернил растворяется в ванне с водой. Но поскольку электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, они оставляют за собой области положительного заряда (в области n-типа) и области отрицательного заряда (в области р-типа). Такое расположение зарядов препятствует дальнейшей миграции по правилу «одноименные заряды отталкиваются», со временем наступает баланс и миграция заканчивается.
На второй иллюстрации рис. 9.3 показано, как можно описать это явление на языке потенциалов. Демонстрируется, как электрический потенциал изменяется по всему сочленению. В глубине области n-типа эффект сочленения мал, и поскольку наступило состояние равновесия, ток отсутствует. Значит, в этой области потенциал постоянен. Прежде чем двигаться дальше, надо еще раз разъяснить, почему нам важен потенциал: он просто показывает, какие силы действуют на электроны и дырки. Если потенциал ровный, электрон не будет двигаться, как не двигается мяч, лежащий на ровном полу.
Если потенциал уходит вниз, можно предположить, что электрон, находящийся вблизи этого падающего потенциала, будет тоже «катиться вниз». К сожалению, принято довольно неудобное решение считать, что снижение потенциала означает «повышение» электрона, то есть электроны потекут вверх. Иными словами, падающий потенциал служит для электрона барьером, что мы и изобразили на рисунке. Это сила, подталкивающая электрон прочь от области р-типа, как следствие создания отрицательного заряда благодаря произошедшей ранее миграции электронов. Эта сила предотвращает дальнейшее движение электронов из кремния n-типа в кремний р-типа. Использование снижения потенциала для иллюстрации восхождения электрона на самом деле не так глупо, как кажется, потому что сейчас большая наглядность достигается для дырок, так как они естественным образом текут вниз. Можно считать, что наш способ представления потенциала (движущегося с высокой точки слева до низкой точки справа) корректно описывает и тот факт, что падение потенциала не позволяет дыркам покинуть область р-типа.
Третья иллюстрация на рисунке – аналогия с текущей водой. Электроны слева готовы и намерены потечь вниз по проводу, но барьер мешает им сделать это. Точно так же дырки в области р-типа скапливаются не с той стороны барьера; водяной барьер и падение потенциала – два разных способа представления одного и того же. Так обстоят дела, если просто скрепить вместе два куска кремния – n-типа и р-типа. Однако их скрепление требует несколько больших усилий, чем можно предположить: их нельзя просто склеить, потому что такое сочленение не позволит электронам и дыркам свободно перетекать из одной области в другую.
Самое интересное, если подключить этот pn-переход к батарее, это позволит повышать или понижать потенциальный барьер между областями n-типа и р-типа. Если понизить потенциал области р-типа, то он упадет еще сильнее, так что электронам и дыркам станет еще сложнее двигаться по сочленению. Но повышение потенциала области р-типа (или ослабление потенциала области n-типа) подобно понижению плотины, сдерживающей воду. Электроны области n-типа немедленно начинают затоплять область р-типа, а дырки движутся столь же массово, но в противоположном направлении. Таким образом pn-переход может использоваться как диод: он может обеспечить движение тока, правда, только в одном направлении[43]. Но диоды не главный предмет нашего интереса.
Рис. 9.4 – это набросок устройства, изменившего мир, – транзистора. Он показывает, что произойдет, если сделать своеобразный сэндвич – слой кремния p-типа разместить между двумя слоями кремния n-типа. Здесь нам хорошую службу сослужит объяснение про диод, потому что идеи примерно те же самые. Электроны движутся из областей n-типа в области р-типа, а дырки движутся в обратном направлении, пока из-за падений потенциала в сочленениях между слоями такое взаимопроникновение не прекращается. В изолированном виде можно представить себе существование двух резервуаров электронов, разделенных барьером, и один резервуар дырок, зажатый между ними.
Рис. 9.4. Транзистор
Самое интересное происходит, когда мы прикладываем напряжение к области n-типа с одной стороны и к области р-типа в середине. Приложение положительного напряжения заставляет подняться плоскую часть кривой слева (на величину Vc) и плоский участок в области р-типа (на величину Vb). Это показано сплошной линией на центральной диаграмме. Такой способ расположения потенциалов имеет серьезные последствия: создается настоящий водопад электронов, которые преодолевают сниженный центральный барьер и направляются в область n-типа слева (напомним, что электроны текут «в горку»). Если Vc больше, чем Vb, то поток электронов будет односторонним и электроны слева не смогут преодолеть область р-типа. Как бы безобидно ни звучали эти фразы, но мы только что описали электронный клапан. Итак, посредством применения напряжения к области р-типа мы можем включать и выключать электрический ток.
И вот завершение: мы готовы к полному осознанию потенциала скромного транзистора. На рис. 9.5 снова демонстрируем действие транзистора через параллели с текущей водой. Ситуация «закрытого клапана» полностью аналогична тому, что происходит в области р-типа без всякого напряжения. Применение напряжения соответствует открытию клапана. Под двумя трубками мы изобразили символ, который обычно используется для транзистора, и с известной долей воображения можно утверждать, что он даже похож на клапан.
Рис. 9.5. Аналогия транзистора с водяными трубками
Что можно сделать с клапанами и трубками? Мы можем создать компьютер, а если трубки и клапаны достаточно малы, то вполне серьезный компьютер.
Рис. 9.6 представляет собой концептуальную иллюстрацию того, как можно использовать трубку с двумя клапанами и создать нечто под названием «логический вентиль». У трубки слева оба клапана открыты, в результате снизу вытекает вода. У трубки в центре и трубки справа один клапан открыт и один клапан закрыт, так что, очевидно, вода снизу не выливается. Мы решили не изображать четвертый вариант – когда оба клапана закрыты. Если обозначить вытекание воды из днища трубок цифрой 1, отсутствие такого вытекания – цифрой 0, а также назначить для открытого клапана цифру 1, а для закрытого цифру 0, то можно изобразить действие четырех трубок (трех нарисованных и одной ненарисованной) уравнениями 1 и 1 = 1, 1 и 0 = 0, 0 и 1 = 0 и 0 и 0 = 0. Слово «и» – логический оператор, который используется здесь в техническом смысле: система из трубки и клапанов, которую мы только что описали, называется «вентиль и». Этот вентиль разрешает два ввода (состояние двух клапанов) и возвращает единственное значение (течет вода или нет), при этом единственный способ получить на выходе 1 – это ввести оба раза 1. Надеемся, теперь понятно, как можно с помощью пары подсоединенных транзисторов сделать «вентиль и» – принципиальная схема дана на этом рисунке.
