Глава 45. Споры о светодиоде
Если вы читали книгу «Изобретено в России», то могли обратить внимание на то, что многие изобретения являются совместными. Нет какого-то одного изобретателя радио, самолёта или лампы накаливания. Эти технологические прорывы стали плодами многолетней работы десятков, а то и сотен человек, каждый из которых вкладывал небольшую часть своих знаний и умений в общее дело. Иногда, как в случае с радио, изобретение складывалось в чёткую цепочку – от немца Герца до канадца Фессендена, – которая бы рассыпалась при потере любого из звеньев (Попов был важным звеном).
Собственно, к подобным изобретениям относится и диод. Открытия и разработки множества учёных и инженеров привели к появлению на свет этой технологии, а назвать единственного изобретателя диода попросту невозможно. Одно лишь то, что Нобелевскую премию за связанные с диодами исследования присуждали дважды (!), говорит о многом. Но давайте обратимся к истокам.
Что такое диод
Светодиод, также хорошо известный по латинской аббревиатуре LED (light-emitting diode), – это прибор, который испускает свет при пропускании через него электрического тока. Но принцип его работы коренным образом отличается, например, от того, как работает нить накаливания, тоже светящаяся под воздействием тока. Диод не раскаляется и не разогревается, его свет холодный.
Диод – это полупроводниковый прибор. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками, хорошо проводящими электрический ток, и диэлектриками, проводящими ток откровенно плохо. При этом электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры: чем она выше, тем лучше полупроводники проводят электрический ток.
Для понимания работы полупроводникового диода нужно в первую очередь знать, как устроен механизм проводимости в кристаллах. Скажем, в металлах кристаллическую решётку образуют не нейтральные атомы, а положительно заряженные ионы – атомы, лишившиеся внешнего электрона. Одноимённо заряженные ионы отталкиваются друг от друга, но решётка не рассыпается, поскольку упомянутые электроны «отданы в общественную собственность» и при этом отрицательно заряжены, таким образом, они выполняют роль «цемента». А поскольку электроны являются носителями электрического заряда и легко перемещаются по всему объёму материала, то во внешнем электрическом поле они обуславливают электрический ток. Этим объясняется хорошая электропроводность металлов.
Решётка полупроводника устроена иначе. Внешние электроны атомов там не свободны, как в металлах, а задействованы в локальных связях между соседними атомами («привязаны» к ним). Поскольку свободных носителей заряда в полупроводнике в этих условиях нет, он плохо проводит электрический ток. Но если мы поднимем температуру на достаточную величину, энергия тепловых колебаний атомов в решётке возрастёт и может превысить порог, при котором связи между соседними атомами будут разорваны и в полупроводнике появятся свободные электроны (электроны проводимости), благодаря которым он начнёт проводить электрический ток. Порог этот зависит от типа материала, в полупроводниках он достаточно низкий, чтобы даже не очень сильное нагревание резко повысило электропроводность (а в диэлектриках весьма высокий, поэтому их электропроводность очень низкая и не зависит от температуры).
Если связь между соседними атомами в кристаллической решётке полупроводника разрывается, образуется электрон проводимости. Для восстановления разорванной связи на его место может перескочить электрон соседнего атома, что приведёт к разрыву соответствующей связи. Если приложить к полупроводнику внешнее электрическое поле, разорванная связь будет «двигаться» точно таким же образом, как и электрон, только в противоположном направлении. Такую связь называют «дыркой», она считается квазичастицей (то есть ведёт себя как частица, хотя таковой физически не является) и носителем положительного заряда (а электрон, напомню, отрицательного).
Полупроводники обладают ещё одним характерным свойством: их способность проводить электрический ток сильно зависит не только от температуры, но и от очень малого количества примесей (один примесный атом на миллион атомов полупроводника или даже меньше). Причём разные примеси дают полупроводникам различные свойства: примеси-доноры, например мышьяк, привносят избыточные электроны проводимости (это называется полупроводник n-типа), примеси-акцепторы, например бор, создают избыток дырок (это полупроводник p-типа).
