Ура! Создана контактная пара без движущихся частей. Берете кусочек чистого кремния и подсоединяете к нему электроды. Тока он не проводит (или почти не проводит) — контакты разомкнуты. Добавляете крошечное количество примеси, ток пошел — контакты замкнулись. Причем совсем необязательно добавлять к кремнию сурьму, то есть донорную примесь. С тем же успехом можно добавить, скажем, алюминий.
Алюминий дает дополнительные уровни вблизи верхней границы (потолка) валентной зоны. При температурах порядка 150 градусов Кельвина электроны из валентной зоны переходят на эти уровни, оставив после себя соответствующее количество дырок.
Концентрация дырок в валентной зоне, а следовательно и электропроводность, зависит от температуры, поскольку все дополнительные примесные уровни оказываются занятыми уже при очень малых температурах. Такой полупроводник называют дырочным. Но нам-то все равно, какую примесь добавлять. С точки зрения электропроводности 1014 дырок на кубический сантиметр в валентной зоне дадут тот же эффект, что и 1014 электронов в свободной зоне.
Теперь дело за малым. Не хватает только молекул тРНК, которые перетаскивали бы атомы сурьмы или алюминия в кремний и обратно, имитируя замыкание и размыкание контактов. Но мы же договорились не использовать движущихся систем! Просто рок какой-то тяготеет над нами. Пройти такой длинный путь, погрузиться в святая святых строения вещества и вновь столкнуться с необходимостью что-то там такое куда-то перетаскивать?! Ну что ж, давайте думать дальше.
Когда долго не везет, надо попытаться «переломить» судьбу, иначе говоря, поступить наоборот. Нас не устраивает метод превращения изолятора в проводник за счет добавления примеси. Может, нам удастся сделать обратное, превратить проводник в изолятор? Ну что ж, попробуем. Поступим следующим образом.
Возьмем пластину кремния, содержащего относительно небольшое количество донорной примеси, то есть электронный полупроводник; поместим его в печь, содержащую пары алюминия, и нагреем до температуры чуть более тысячи градусов Цельсия. Под влиянием высокой температуры атомы алюминия приобретут энергию, достаточную для того, чтобы проникнуть на некоторую глубину в толщу кремниевой пластины. В результате получится как бы бутерброд. Нижняя часть пластинки по-прежнему представляет собой электронный полупроводник, а верхняя часть, в которой теперь преобладает примесь алюминия, представляет собой полупроводник дырочный.
Что произойдет сразу после образования дырочного слоя? Электроны в электронном полупроводнике участвуют в тепловом движении, перемещаясь в самых разных направлениях. Добавление новой примеси не должно как-то сказаться на поведении электронов. Среди них обязательно найдутся такие, которые пересекут границу и окажутся в области дырочного полупроводника.
Опять-таки, следует оговориться, что применительно к электронам употреблять слово «движение» — незаконный прием. Говорим мы так просто потому, что у нас нет подходящего слова для описания электронов. С тем же успехом мы могли бы сказать, что электроны никуда не движутся, а исчезают в одном месте и появляются в другом. Это снова будет неверно, поскольку электрон не может находиться в данном месте. А раз не может находиться, значит, не может ни исчезнуть, ни появиться. Как же сказать правильно? После образования в пластине двух слоев: электронного и дырочного — с электронами электронного слоя начинает происходить некоторый процесс, для описания которого у нас не хватает слов. Результатом этого процесса является то, что средняя концентрация электронов в дырочной части увеличивается.
Уловили разницу между только что сделанным описанием и предыдущим? Средняя концентрация электронов обнаруживается нашими измерительными приборами. Она проявляется, например, как величина отрицательного электрического заряда. Говоря «концентрация электронов увеличивается», мы подразумеваем под этими словами реальный физический процесс, скажем, отклонение стрелки на шкале измерительного прибора. За словами «электрон движется» мы не видим ничего, так как не может двигаться то, что не имеет определенного местоположения. При желании процесс, сопровождающийся изменением концентрации электронов, можно назвать диффузией. Так он и называется в серьезных книгах, хотя, честно говоря, слово «диффузия» не вносит ничего нового.