Вместо эпиграфа:
- О чём нынче пишешь?
- О дырочной проводимости…
- Критикуешь?
- Да.
- Ты что, с ума сошел?! Не трогай святого!..
В 1976 году в училище связи на уроке физики учитель нам рассказывал о природе дырочной проводимости. Мне даже пришлось исполнить роль активного электрончика, который перескакивает на свободное место (дырку, вакансию). Отрицательные электрончики двигаются в одну сторону, а «положительные» дырки – в противоположную. Ничего странного, невероятного в таком движении «положительного заряда» я не увидел, мол, чего только не может быть в мире физики… Но с годами вопрос этот всё больше занимал меня, тем более, что тема полупроводимости стала доминирующей в электронике, во многом определила облик современного мира. Много лет спустя, когда я пришел к выводу о необходимости вернуть в физику привычной нам электродинамики представления о положительных электронах, вопрос о дырочной проводимости, что называется, встал ребром.
Да, хотим мы того или нет, но вернуть в электродинамику представление об электронах положительного заряда необходимо! На самом деле различие между электронами отрицательного и положительного заряда лишь в винте закрутки их вращательной динамики, в спине. Есть электроны левого спина и электроны правого спина (л-электроны и п-электроны; сокращённо – лэлеки и пэлеки). Переворот лэлека на 180 градусов делает его пэлеком, и наоборот. Будучи вихревыми квазичастицами со своими вихревыми полями, лэлеки и пэлеки, попадая в сильное магнитное поле, расходятся в противоположные стороны, туда, где их винт закрутки совпадает с винтом закрутки вихревого магнитного поля полюса магнита. По нисходящей винтовой траектории квазичастицы устремляются к своему полюсу. Я умышленно не называю электроны правого спина – позитронами, античастицами электронов левого спина. Для физиков сегодня это тема ещё больная, они начинают возмущаться и удивляться – откуда в нашем мире антивещество?! Всё ещё не могут примириться с одновременным существованием электронов и антиэлектронов! Хотя, повторяю, что дело тут всего лишь в различие спинов вращения…
В своём опусе «Разделение зарядов» я говорил о механизмах возникновения электронов правого и левого спинов. Их источник – диполи валентных тороидально движущихся протонов, слабо связанные с остовом атомного ядра. Колебание дополнительной энергией диполей протонов приводит к симметричному рождению квазичастиц электронов левого и правого спина. Количество и энергия движения квазичастиц зависит от энергии возмущения. В металлах, где в атоме минимальное число слабосвязанных валентных протонов (один, два), это разделение и поляризация зарядов происходят легче всего. В металлах, даже при комнатной температуре, всегда много электронов левого и правого спина, тепловых квазичастиц. Достаточно к металлу приложить даже небольшую разность потенциалов – потечёт электрический ток; электроны левого спина пойдут к положительному полюсу источника, а электроны правого спина – к отрицательному полюсу. Природа электрического тока двойственна. Если бы в металле были одни электроны левого спина, то никакого тока не случилось. Именно наличие в металлах электронов левого и правого спина дают полноценный ток. Нежелание понимать этого закрывает путь к ответу на загадку природы тока.
В диэлектриках, где все валентные протоны ядер атомов достаточно крепко связаны, нет свободных квазичастиц. Проводниками тока диэлектрики быть не могут. Но если приложить очень большое напряжение к диэлектрику, то происходит пробой диэлектрика, меняется его физическая структура и химические свойства, которая становится проводящей ток. Диэлектрики могут стать проводниками тока и при очень сильном их нагреве, например, стекло. Однако диэлектрики углеродных и кремниевых атомных кристаллических структур могут стать полупроводниками, иначе говоря, проводящими электрический ток при комнатной температуре, но при особых условиях. Условия эти называются «примесной проводимостью». Углерод и кремний – четырёхвалентны, их четыре связи атома с соседними атомами крепки, разорвать их непросто. Но если добавить в кремниевую кристаллическую четырёхвалентную структуру атомы трёхвалентные (галлий) и пятивалентные (мышьяк), то получаем в кристаллах положительные и отрицательные ионы, условие для проводимости тока. Кристалл с ионами галлия будет с «дырочной» проводимостью, а с ионами мышьяка – с электронной проводимостью. Но ионы в кристалле сами двигаться не могут, как, например, в жидкостях или в газах. В кристалле могут перемещаться только электроны. При подаче разности потенциалов на легированный кристалл, положительные «дырки» ионов галлия являются, по сути, источником положительных электронов, электронов правого спина, а отрицательные ионы мышьяка являются источниками отрицательных электронов, электронов левого спина.
Однако вот какое дело. Если взять отдельно кристалл кремния с добавками галлия (дырочная проводимость), то проводить ток он не будет. Точно также и с кристаллом кремния с добавкой мышьяка (электронная проводимость). В силу двойственной природы тока, для протекания тока электронов левого и правого спина в противоположных направлениях в этих легированных кристаллах нет условий, так как электроны левого спина источника питания запираются электронами левого спина кристалла с электронной проводимостью. Точно также и с кристаллом с дырочной проводимостью: электроны правого спина источника питания запираются электронами правого спина кристалла с дырочной проводимостью. Но если соединить кристаллы с дырочной и электронной проводимостью в один кристалл, то появится эффект односторонней проводимости. Если плюс источника питания подать на кристалл с дырочной (положительной) проводимостью, а минус на кристалл с электронной (отрицательной) проводимостью, то ток не пойдёт, случится запирание. Если же плюс источника питания подать на кристалл с электронной проводимостью, а минус – на кристалл с дырочной проводимостью, то ток потечёт, запирания не будет. Этот взгляд как бы противоречит нынешней теории электронно-дырочной проводимости Шокли. Однако теорию Шокли, как считают некоторые знатоки вопроса, нельзя считать безупречной, она создавалась, что называется, на скорую руку (1949 г.), без ясного знания реальных процессов в легированных кристаллах кремния. Изобретение положительных «дырок» стало вынужденным шагом для объяснения опытных эффектов прохождения или непрохождения электрического тока в полупроводниках. Получается так, что в месте стыка полупроводников кремния с разной проводимостью, ионы-дырки частично переходят диффузией в область с электронной проводимостью, а электроны переходят диффузией в область с дырочной проводимостью. Так создаётся неширокий p-n переход, когда в кристаллах со своей проводимостью оказываются «чужие» носители тока. Надо было обладать большой фантазией и смелостью, чтобы предполагать такое поведение положительных дырок, в сущности, пустот, вакансий в ионизированных атомах кристаллической решетки. Но такой фокус был принят большинством учёных без особых возражений. Хотя сегодня те, кто на практике занимается с полупроводниками, глубже проникает в их природу, предпочитают иметь дело именно с положительными электронами, а не с дырками. У дырок, как ионов с вакансией, по определению не может быть такой мобильности и резвости, как у электронов.
Было время, когда атом представляли в виде сферы, внутри которой мирно сосуществуют положительные и отрицательные заряды. Но модель атома Резерфорда развела заряды в разные стороны: в центре – ядро с положительным зарядом, а на периферии – отрицательные электроны. Но сегодня видится, что старая модель атома была в чём-то справедливой. Если протон движется в атомном ядре по кольцевой, замкнутой траектории, то он представляет собой тор, имеющий одновременно правый и левый винт закрутки. Вокруг плоскостей тора имеются постоянные вихревые поля правой и левой закрутки, что, в сущности, и есть заряды протона, положительный и отрицательный. Торообразное, кольцевое движение протона с его вихревыми полями – диполь. Как выше говорил, колебание дополнительной энергией этого диполя-тора протона приводит к симметричному возбуждению вихревых квазичастиц – электронов левого и правого спина (лэлеков и пэлеков).
Можно также смело предположить, что электроны левого и правого спинов имеются и в составе атомного ядра в виде связанных состояний в нейтронах и протонах. Электронейтральность нейтрона обусловлена тем, что правый вихрь (спин) протона гасится левым винтом спина электрона. Тогда как в ядерном протоне его правый спин не гасится правым спином электрона, а напротив, усиливается. Дело в том, что первые электроны левого и правого спина родились во вселенной при энергичных соударениях первых протонов. При этом шло поглощение электронов протонами: когда протоны поглощали электроны левого спина – они становились нейтронами, теряя вихревое поле, теряя заряд, а протоны, поглощавшие электроны с правым спином, оставались протонами, частицами с зарядом. Протоны и нейтроны в ядре атома неразличимы, и потому они носят общее название – нуклоны. Неразличимость нуклонов объясняется тем, что протоны ядра могут обмениваться между собой электронами левого и правого спина, становится периодически то протоном, то нейтроном.
Разделение зарядов, иначе говоря, появление электронов правого и левого спина в некоторых физических процессах и явлениях стало важнейшим условием не только существования атомарного вещества вообще, но и биологического в частности. В живой клетке, в результате химических реакций, идёт такое же разделение зарядов, как и в химических источниках постоянного тока. Разрыв прежних связей атомов и молекул приводит к так называемой их ионизации, при которой свободные несвязанные радикалы молекул и атомов, имеющие правый или левый винт закрутки, получают открытое вихревое поле правой или левой закрутки, иначе, получают положительный или отрицательный заряд. Все химические элементы Таблицы Менделеева, кроме группы инертных газов, являются именно такими ионами, несущими свой положительный или отрицательный заряд, иначе, открытые вихревые поля правой или левой закрутки. Например, у кислорода, стоящего в шестой группе системы, и валентность должна быть равна шести. Но это не так. Валентность кислорода считается равной двум. До полного восьмичастичного заполнения внешней оболочки атома, кислороду не хватает двух частиц. Иначе, у иона атома кислорода есть два открытых вихря правой (положительной) закрутки, правого спина. Лишь соединившись с одним или двумя атомами, имеющими два открытых вихря левого (отрицательного) спина, кислород становится электронейтральным, стабильным, вихри закрываются, компенсируются до следующего энергетического потрясения, иначе, ионизации. Один атом кислорода, соединившись с двумя атомами водорода, образуют одну молекулу воды, по своей энергетической и зарядовой структуре равной атому инертного газа.
Хорошая проводимость тока металлами объясняется их одно- и двухвалентностью, слабой связью валентной частицы с ядром атома. Незначительная температурная раскачка ядер атомов металла и раскачка валентных частиц атомов металла приводят к симметричному рождению квазичастиц левого и правого спина, которые и становятся проводниками тока в так называемом электрическом поле. С ростом температуры проводника металла, его сопротивление току растёт, проводимость падает. У полупроводников – всё наоборот. С ростом температуры или других энергетических воздействий, сопротивление току у полупроводников уменьшается, проводимость увеличивается. Надо понимать то, что при росте температуры раскачиваются именно узлы кристаллической решётки кремния и ионных добавок, а с ними и валентные связи. Атомные связи в кристалле, при большой энергетической раскачке, могут временно разрываться, создавая новые носители тока, электроны правого и левого спинов. Никакие представления о «дырках», о вакансиях не могут дать полноценную, ясную картину проводимости электрического тока в полупроводниках. Природа электрического тока двойственна, есть одновременно прямое и обратное движение электронов левого и правого спинов. Это река может течь в одном направлении, с верховьев в низину, течь благодаря гравитационному вакуумному давлению. Это ветер в атмосфере может двигаться в одном направлении – из области высокого давления в область низкого. А электрический ток – одновременное движение квазичастиц левого и правого спина в прямом и в обратном направлении, из областей больших давлений зарядов левого и правого винта. Носителями тока могут быть только свободные носители зарядов, не связанные жестко с ионами атомов кристаллической решетки. И в заключение отмечу важнейшую роль дипольности в электродинамике. Только на дипольные частицы и квазичастицы могут оказывать влияние магнитные и электрические поля, ориентируя их, направляя или колебля.