Жмурки с электричеством

Ну, у кого-то — лепота, а у кого-то — слепота. Если образец демонстрирует отрицательную холловскую разность потенциалов, то считается, что в нём доминируют свободные электроны. А если положительную, то — «свободные дырки». В первом случае говорят: «полупроводник n-типа», а во втором — «p-типа». Хорошо известно, что электропроводность полупроводников растёт с увеличением температуры. «Это потому, — объясняют теоретики, — что свободных носителей становится больше». Свежо страдание, а лечится с трудом! Честный процент термической ионизации атомов в образце на порядок меньше того, который обеспечивал бы электропроводность чистых полупроводников. Пришлось опять прибегать к методам высокой науки. Нас уверяют, что у атомов, образующих полупроводник, энергия ионизации на порядок меньше, чем у тех же атомов в свободном состоянии. Такой ход мысли понятен. Только, любезные, у вас получается, что, при образовании полупроводникового кристалла из отдельных атомов, бесследно исчезает почти вся энергия связи самых внешних атомарных электронов — по несколько электрон-вольт на атом. Это гораздо больше, чем, например, превращения энергии при детонации. И никто не вздрагивает!

А ведь с чистыми полупроводниками — это ещё пустячки, мелкие недоразумения. «По-взрослому» всё начинается у легированных полупроводников. Примеси, которыми их легируют, они — о-го-го какие! Они могут кардинально увеличить электропроводность образца! Как они это делают? Да возьмите первый попавшийся учебник по полупроводникам, и он сам откроется на нужной странице. Значит, так: если материал из четырёхвалентных атомов легировать пятивалентными атомами, то они встроятся в решётку, задействовав только по четыре своих валентных электрона. Оставшиеся же пятые могут быть «легко оторваны» и сделаны свободными носителями. Вот вам, мол, резкое увеличение проводимости n-типа. Стоп! После «лёгкого отрыва» электрона, в атоме-то остаётся дырка! Разве она не даёт вклада в проводимость p-типа? Это как в детских играх, что ли: новые свободные электроны «играют», а новые дырки — «не играют»? О, Господи, читаем дальше: если тот же материал из четырёхвалентных атомов легировать трёхвалентными атомами, то они встроятся в решётку, задействовав все свои валентные электроны, но при этом у них будет не хватать по одному электрону, чтобы образовать по четыре связи с соседями. Вот вам, мол, готовые дырки, которые дают резкое увеличение проводимости p-типа. Стоп! Какие же это «дырки», если все электроны — в атомах, и ни один атом не ионизован? Дяденьки, на кого рассчитана эта концепция примесной проводимости — на ваших бабушек, что ли? «Эта концепция, — с нордическим спокойствием парируют академики, — надёжно подтверждена опытом. Легирование кремния и германия пятивалентными элементами даёт резкое увеличение n-проводимости, а легирование их трёхвалентными элементами даёт резкое увеличение p-проводимости!» Ну, ну. Повезло же вам, что есть на свете такие аномалии: кремний да германий. С ними всё получается так, как в учебниках написано. А про полную картину вы в курсе? Нехорошо внушать нам правило: примеси с большей валентностью, чем у главных атомов, дают проводимость n-типа, а с меньшей валентностью — p-типа. В доброй половине случаев это правило по-наглому не работает!

А, знаете — почему? Для электропроводности полупроводника всё равно — легировать его атомами с большей или меньшей валентностью. Результат-то один и тот же: гарантированное наличие свободных валентностей. А на каких атомах эти свободные валентности висят — на примесных или на основных — это неважно. Важно лишь общее количество свободных валентностей: чем их больше, тем лучше электронная проводимость. А про дырочную проводимость лучше поскорее забыть. Потому что нет её в природе. Да и не нужна она совсем. Не верите? Ну, возьмите вы образец кремния, легированного бором или индием — со стопудовой p-проводимостью. Без дырок тут — никак, да? Ну, подайте постоянное напряжение на этот образец. Через него потечёт ток — не такой сильный, как через металл, но всё-таки. Теперь поменяйте полярность приложенного напряжения. Через образец снова потечёт такой же ток, только «в обратную». А теперь прикиньте: по металлическим проводам в вашей цепочке двигаются только электроны, правда ведь? И сила постоянного тока сквозь любое поперечное сечение замкнутой цепочки одна и та же, не так ли? Сколько входит электронов в ваш p-образец в единицу времени, столько же их и выходит. Значит, и в самом p-образце в данном случае проводимость электронная. Какой же ей ещё быть? Всё тот же режим — «ротации кадров» между свободными и связанными электронами!

Надо всё-таки сказать, почему электропроводность полупроводников лучше, чем у диэлектриков (непробитых), но хуже, чем у металлов. Дело — именно в количестве свободных валентностей — большем, чем у диэлектриков, но меньшим, чем у металлов. Спрашивается: откуда берутся свободные валентности при правильной кристаллической решётке у беспримесного полупроводника? Напрашивается ответ: химические связи здесь не вполне стационарны — они, чисто программными средствами, по очереди рвутся в принудительном порядке! Из-за цикличности этого процесса, имеет смысл среднее время, в течение которого валентности и остаются свободными. Отсюда немедленно следует наличие полосы оптического поглощения у полупроводников! При облучении даже образца p-типа светом, попадающим в его полосу поглощения, сопротивление образца для посторонних электронов резко уменьшается — так работают фоторезисторы. А всё потому, что возбуждённые свободные валентности шустрее управляются с «ротацией кадров» электронов, отчего для них увеличивается пропускная способность образца.

И ещё один секрет — для полупроводников программно обеспечена возможность превращения энергии возбуждения атомов в энергию зарядовых разбалансов! Для одних элементов предписано, чтобы зарядовые разбалансы получались отрицательные, а других — чтобы положительные. Собственно, потому и существуют полупроводники n-типа и p-типа. Мобильное электричество в виде зарядовых разбалансов, отрицательных и положительных, играет ключевую роль при работе полупроводниковых диодов, т.е. пар образцов p- и n-типа, контактирующих друг с другом весьма плотно, через химические связи — и образующих, таким образом, p-n-переход.

Вот, например, для выпрямления переменного тока широко используется то свойство p-n-перехода, что он хорошо пропускает ток при прямом напряжении, т.е. при подключении p-области к «плюсу», а n-области к «минусу», и плохо пропускает ток при обратном напряжении. Почему? Смотрите: при прямом включении, отрицательные зарядовые разбалансы в n-области мигрируют от «минуса», т.е. к p-n-переходу. С другой стороны, положительные заряды в p-области мигрируют от «плюса» — тоже к p-n-переходу. В итоге, в области p-n-перехода те и другие, практически, компенсируют друг друга. И напряжённость «поля» в материале диода определяется, практически, разностью потенциалов на его электродах. Если эту разность потенциалов поделить на сопротивление материала диода, то получится сила тока посторонних электронов через диод. При обратном же включении, картина совсем другая. Теперь отрицательные зарядовые разбалансы в n-области мигрируют к положительному электроду, а положительные заряды в p-области — к отрицательному электроду. Концентрируясь в приэлектродных областях, они ослабляют напряжённость «поля» в материале диода, создаваемую внешним источником напряжения. Сопротивление материала диода остаётся прежним, а напряжение — по сравнению со случаем прямого включения — становится меньше. Поэтому и ток через диод при этом меньше. До смешного просто.

Ой, а ещё смешнее — полупроводниковый диод с p-n-переходом работает как солнечная батарея. При облучении светом, попадающим в полосу оптического поглощения, он создаёт электродвижущую силу, способную поддерживать слабый постоянный ток в замкнутой цепи. Здесь ток — это, опять же, ток посторонних электронов, которые входят в p-область и выходят из n-области. Почему так получается? Академики полагают, что свет обладает волшебным свойством: действуя на p- и n-области, он увеличивает в них количество «свободных носителей». В n-области, якобы, от света увеличивается количество свободных электронов, а в p-области — увеличивается количество «свободных дырок». Как такое получается в электрически нейтральных кусочках — об этом академиков лучше не спрашивать, чтобы не расстраивать их до слёз. Хотя — тока-то всё равно не получится. Свободные электроны из участка внешней цепи, прилегающей к p-области, будут, конечно, ломиться в эту область. Но в эту область будут ломиться и свободные электроны из n-области. А встречные токи в фотодиоде — это не то, что нам нужно. Чтобы фотодиод работал как насос, перекачивающий электроны, какие-то силы и в p-области и в n-области должны двигать электроны в одну и ту же сторону. Эти силы берутся вот откуда. Свет, из полосы оптического поглощения, продуцирует не свободные носители электричества, а зарядовые разбалансы — положительные в p-области и отрицательные в n-области. Они мигрируют навстречу друг другу, нейтрализуя друг друга в области p-n-перехода, а их энергия превращается в другие формы (например, в тепло). Теперь, внимание: свободные электроны в фотодиоде должны двигаться так, чтобы, по возможности, компенсировать эти токи зарядовых разбалансов. Значит, в p-области электроны должны двигаться попутно с положительными зарядовыми разбалансами, а в n-области — навстречу отрицательным зарядовым разбалансам. Вот и получается сквозное движение свободных электронов через освещаемый фотодиод!

Ну, и ещё один фотоэлектронный прикол: работа полупроводникового лазера. Если прямой ток через p-n-диод превышает пороговое значение, то зона p-n-перехода излучает свет с длинами волн из полосы оптического поглощения. Теоретики долго думали — как бы объяснить это чудо, да посмешнее. В итоге, успех пришёл. Дескать, свет здесь рождается в результате излучательной рекомбинации электронов и дырок. Это — по-научному. А по-простому это так: свободный электрон плюхается в дырку и становится связанным. При этом, вроде, и вправду должен излучаться свет — как при рекомбинации положительных ионов с электронами. Только, позвольте, при такой генерации света уменьшалось бы число свободных носителей электричества! А откуда брались бы новые, им на смену, чтобы в цепи поддерживался постоянный ток?! Источник тока — он ведь не впрыскивает в цепь всё новые и новые электроны, он всего лишь перекачивает электроны с анода на катод. Ну, дела… Да, и ещё, позвольте заметить: «рекомбинация электронов с дырками» возможна не только в зоне p-n-перехода, но и во всём объёме p-области. Увы — похоже, в объёме p-области «дырки» какие-то ненастоящие, потому что светит только зона p-n-перехода. Да и вообще: пускайте ток через монообразец p-типа — пусть там электроны всех дырок до смерти зарекомбинируют. То-то свету будет! Но, нет, здесь электронам для полного счастья категорически не хватает p-n-перехода — без него ни фига не получается. Грустно, дяденьки…

А не вспомнить ли нам опять про зарядовые разбалансы? Да с удовольствием. Когда, при сильном прямом токе, посторонние электроны продираются сквозь материал полупроводникового диода, они ударно возбуждают атомы. В p-области, энергии возбуждения превращаются в энергию положительных зарядовых разбалансов, а в n-области — в энергию отрицательных зарядовых разбалансов. Эти превращения особенно эффективны для энергий возбуждения, соответствующих полосе оптического поглощения. Дальше получается вот что: подчиняясь приложенному прямому напряжению, зарядовые разбалансы мигрируют к p-n-переходу. И некоторые тамошние атомы оказываются в состоянии, которое по-простому называется «ни то, ни сё». А именно: в одной из атомарных связок «протон-электрон», со стороны p-области, оказывается положительный зарядовый разбаланс, а в другой, со стороны n-области — отрицательный зарядовый разбаланс. Это — непорядок. Он быстренько исправляется: делается сброс энергии этих противоположных зарядовых разбалансов — через превращение её в световую энергию. Отполировать две боковые граньки кристалла, чтобы получился резонатор — и свет будет не простой, а лазерный. Делов-то!

Опять же, это речь шла про постоянные токи в полупроводниках, когда подвижки посторонних электронов играют заметную роль. При переменных же напряжениях, подвижки электричества в полупроводниках, начиная с некоторых частот, обеспечиваются только зарядовыми разбалансами. Не подозревая об этом, исследователи приходят к выводу о сумасшедших подвижностях свободных носителей. Доходит до того, что при попытке объяснить эти сумасшедшие подвижности, у теоретиков захватывает дух, и они затрудняются сделать выбор — то ли петь про туннельный эффект, то ли про сверхпроводимость. Версии-то — одна другой краше! Одна другой высоконаучнее!

А у нас — всё по-крестьянски. Везде, где есть связанные заряды, электромагнитные явления становятся до неприличия понятными, если учитывать то, что вытворяют зарядовые разбалансы. Кстати, радиоволна, например, в воздухе — это не что иное, как волна зарядовых разбалансов в атомах. А в пространстве между атомами — от радиоволны ничего нет! Может, кому-то покажется, что мы под конец совсем свихнулись? Нет, мы-то свихнулись не совсем — по сравнению с теми, кто учит нас, что радиоволна, при распространении, вызывает колебания индуцируемых электрических диполей в молекулах, а также переориентации молекул с готовыми диполями. Такое было бы возможно, если частота радиоволны превышала бы среднюю частоту столкновений молекул в воздухе. Иначе, из-за столкновений, молекулярные диполи не успевали бы отрабатывать даже одного периода колебаний на радиочастоте — и воздушная среда не давала бы отклика на радиоволну. Однако, даже для низкочастотных радиоволн, отклик воздушной среды, безусловно, есть — поскольку скорость этих радиоволн зависит, в том числе, от температуры, давления и влажности этой среды. Значит, радиоволна проявляет себя в воздушной среде вовсе не через трепыхания молекулярных диполей.

Смотрите: если в воздухе находился бы уединённый шарик, заряд которого изменялся бы по синусоиде на некоторой радиочастоте, то происходило бы следующее. Изменяющийся заряд шарика индуцировал бы изменяющиеся зарядовые разбалансы в веществе окружающего воздуха — которые устанавливались бы с некоторым запаздыванием. Это запаздывание определялось бы быстродействием алгоритмов, которые рулят зарядовыми разбалансами. В результате, пока работал бы этот чудо-шарик, от него расходились бы волны знакопеременных зарядовых разбалансов в воздухе. Это и были бы радиоволны, Они, кстати, отнюдь не поперечны, потому что ничего в них не болтается поперёк направления распространения.

Нам возразят, что настоящие-то радиоволны как раз поперечны, и укажут на феномен поляризации радиоволн — который эту поперечность, якобы, доказывает. Увы: феномен поляризации радиоволн обусловлен тем, что реальные источники радиоволн принципиально отличаются от уединённого шарика с переменным зарядом. В реальных источниках дело не обходится без электрических токов. Вот, например — вертикальный штырь, по которому генератор гоняет сгустки электричества вверх-вниз. В окружающем воздухе подвижки зарядовых разбалансов будут иметь только вертикальные компоненты. Вертикальная штыревая антенна сможет дать на них отклик, а горизонтальная — нет. Вот и весь «феномен поляризации». Он не доказывает ни поперечности радиоволн, ни их самостоятельной сущности, не сводимой к процессам в веществе. Кстати, при колебаниях и подвижках зарядовых разбалансов не происходит колебаний и подвижек вещества — поэтому зарядовым разбалансам нипочём столкновения молекул. Вот почему в случае радиоволн нет частотного порога на отклик воздушной среды.

И ещё: как и при распространении света, при распространении радиоволны, т.е. волны зарядовых разбалансов, не происходит переноса энергии в пространстве. Происходят лишь перераспределения различных форм энергии в веществе — например, энергия связи атомарных электронов превращается в энергию зарядовых разбалансов, и обратно. Всё — по физическим законам, т.е. по программным предписаниям. Трудно поверить, что радиоволна не переносит энергию, правда? Понимаем. Слишком сильна иллюзия того, что свободные заряды в окружающем антенну пространстве начинают бегать оттого, что антенна излучает энергию, которую даёт ей генератор, который, в свою очередь, берёт её из энергосети, причём — что для некоторых особенно убедительно — за эти киловатт-часы приходится платить. Но до тех пор, пока физика будет цепляться за подобные иллюзии, будет актуальна старая студенческая хохмочка:

— Что такое электрический заряд? — спрашивает экзаменатор.

— Я знал, но забыл, — мямлит студент.

— Эх, какая потеря для науки! Единственный человек знал, да и тот забыл!..

По материалам сайта «Наброски для новой физики», http://newfiz.narod.ru