Ââåäåíèå.
Ïðè èçó÷åíèè ïåðâîé ãëàâû äàííîãî ìàòåðèàëà ìû ïîñòàðàåìñÿ îáîéòèñü áåç êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ñëèøêîì àáñòðàêòíîé äëÿ ë¸ãêîãî å¸ ïîíèìàíèÿ. Ìû áóäåì îïåðèðîâàòü ñòàðûìè óïðîù¸ííûìè ïîíÿòèÿìè. Âî âòîðîé ãëàâå ìû âñêîëüçü êîñí¸ìñÿ íåêîòîðûõ ïîíÿòèé êâàíòîâîé ôèçèêè.  çàêëþ÷èòåëüíîé òðåòüåé ãëàâå, êàñàþùåéñÿ ñîâðåìåííûõ ñâåòîäèîäîâ, íàì ïðèä¸òñÿ óæå ñóùåñòâåííî ïîãðóçèòüñÿ â êâàíòîâóþ ôèçèêó, áåç êîòîðîé íåâîçìîæíî ïîíèìàíèå ðàáîòû ñîâðåìåííîãî ñâåòîäèîäà. Âïðî÷åì, ïðè âñ¸ì ïðè ýòîì ìû îáîéä¸ìñÿ áåç ôîðìóë.
Èòàê, âíà÷àëå íàì íóæíî áóäåò çíàòü âñåãî ëèøü íåñêîëüêî ïðîñòûõ âåùåé:
1. Ìàòåðèÿ ñîñòîèò èç àòîìîâ. Âî ìíîãèõ òâ¸ðäûõ òåëàõ àòîìû íàõîäÿòñÿ óïîðÿäî÷åííîì ñèììåòðè÷íîì ñîñòîÿíèè. Òàêîå ñîñòîÿíèå íàçûâàþò êðèñòàëëè÷åñêîé ðåø¸òêîé, à ñàìî âåùåñòâî — êðèñòàëëîì.
2. Àòîì — ýòî ÿäðî ñ âðàùàþùèìèñÿ âîêðóã íåãî íà îïðåäåë¸ííûõ îðáèòàõ ýëåêòðîíàìè. ×åì âûøå ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà, òåì íà áîëåå âûñîêîé îðáèòå îí âðàùàåòñÿ. Íå èñïûòûâàÿ âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ ýëåêòðîíû ñòðåìÿòñÿ âûáðîñèòü ÷àñòü ýíåðãèè ÷òîáû çàíÿòü áîëåå óñòîé÷èâûå íèæíèå îðáèòû.
3. Ýëåêòðîí — ôèçè÷åñêàÿ ÷àñòèöà, âõîäÿùàÿ â ñîñòàâ àòîìà, è èìåþùàÿ îòðèöàòåëüíûé çàðÿä è íåêîòîðûé óðîâåíü ýíåðãèè. Çàðÿä ýëåêòðîíà âñåãäà ïîñòîÿíåí. Ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà, íàõîäÿùåãîñÿ â ñîñòàâå àòîìà, ìîæåò ïðèíèìàòü òîëüêî îïðåäåë¸ííûå ôèêñèðîâàííûå çíà÷åíèÿ. Äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ âíå àòîìà â âåùåñòâå â îäíîì íàïðàâëåíèè íàçûâàþò «ýëåêòðè÷åñòâîì», èëè ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì, ïîñêîëüêó ýëåêòðîíàìè ïåðåìåùàþòñÿ çàðÿäû, ôîðìèðóþùèå ýëåêòðè÷åñêèé òîê.
4. Àòîìû ðàçíûõ ýëåìåíòîâ (âîäîðîäà, ãåëèÿ è ò.ï.) ðàçëè÷àþòñÿ êîëè÷åñòâîì ïðîòîíîâ â ñâî¸ì ÿäðå. Ïðîòîíû èìååò ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä, êîòîðûé ïî âåëè÷èíå ðàâåí çàðÿäó ýëåêòðîíà. Åñëè îòíÿòü ýëåêòðîí ó àòîìà, àòîì ñòàíåò ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûì. Åñëè äîáàâèòü ëèøíèé ýëåêòðîí ê àòîìó, àòîì ñòàíåò îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûì.
5. Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà — èçëó÷åíèå, ïîðîæäàåìîå âûáðîñîì èçëèøêà ýíåðãèè ýëåêòðîíà, ïåðåõîäÿùåãî ñ áîëåå âûñîêîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ íà áîëåå íèçêîå, íàïðèìåð, ïðè åãî ïåðåõîäå èç ñâîáîäíîãî ñîñòîÿíèÿ íà îðáèòó â àòîì. ×åì áîëüøå ðàçíèöà â ýíåðãèÿõ ñâîáîäíîãî ñîñòîÿíèÿ è îðáèòû, òåì áîëüøå èçëèøåê ýíåðãèè è âûøå ÷àñòîòà èçëó÷¸ííîé âîëíû. Âèäèìûé äèàïàçîí ÷àñòîò ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí ìû íàçûâàåì ñâåòîì, öâåò êîòîðîãî çàâèñèò îò ÷àñòîòû âîëíû.
Ãëàâà 1. Ïðîñòîå îáúÿñíåíèå
Ïðèíöèï èçëó÷åíèÿ ñâåòà ñâåòîäèîäîì äîñòàòî÷íî ïðîñò. Âíóòðè ñâåòîäèîäà ïðèæàòû äðóã ê äðóãó äâà ðàçíûõ ìàòåðèàëà. Êàæäûé èç ìàòåðèàëîâ ïîäêëþ÷åí ê ñâîåìó âûâîäó (íîæêå ñâåòîäèîäà). Ñâîéñòâà îäíîãî ìàòåðèàëà îáóñëàâëèâàþò íàëè÷èå â í¸ì íåêîòîðûõ àòîìîâ ñ ëèøíèìè ýëåêòðîíàìè, íàõîäÿùèìèñÿ íà âûñîêèõ îðáèòàõ, ãîòîâûõ îòîðâàòüñÿ, à ñâîéñòâà äðóãîãî — íàëè÷èå â í¸ì àòîìîâ ñ íåäîñòàòêîì ýëåêòðîíîâ íà íèçêèõ îðáèòàõ.
Ïîäêëþ÷èâ ìàòåðèàë ñ èçáûòêîì ýëåêòðîíîâ ê ìèíóñó áàòàðåéêè à äðóãîé — ê ïëþñó, ìû ñîçäàäèì ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé âñå ïëîõî çàêðåïëåííûå â àòîìàõ ýëåêòðîíû, âðàùàþùèåñÿ íà âûñîêèõ îðáèòàõ, íà÷íóò îòòàëêèâàòüñÿ îò îòðèöàòåëüíîãî ïîëþñà è ïðèòÿãèâàòüñÿ ê ïîëîæèòåëüíîìó. Îíè äâèíóòüñÿ â ñòîðîíó âòîðîãî ìàòåðèàëà, çàïîëíÿÿ ïóñòûå ìåñòà â åãî àòîìàõ, íàõîäÿùèåñÿ íà áîëåå íèçêèõ îðáèòàõ.
Ïîñêîëüêó ðàíüøå ýëåêòðîíû íàõîäèëèñü íà áîëåå âûñîêèõ îðáèòàõ, òî îíè èìåþò áîëüøóþ ýíåðãèþ, ÷åì èì íóæíî â íîâûõ àòîìàõ. Ïîýòîìó ïåðåõîäÿ íà áîëåå íèçêóþ îðáèòó îíè âûáðàñûâàåò ëèøíþþ ýíåðãèþ â âèäå ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû, òî åñòü ðîæäàþò ñâåò.

Äëèíà èçëó÷¸ííîé ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû çàâèñèò îò âåëè÷èíû âûäåëèâøåéñÿ èç ýëåêòðîíà ýíåðãèè — ÷åì áîëüøå ýíåðãèÿ, òåì ìåíüøå äëèíà âîëíû, à çíà÷èò òåì «ñèíåå» áóäåò èçëó÷àåìûé ñâåò.
Ïðè çàïîëíåíèÿ ýëåêòðîíàìè áëèæíåãî ñëîÿ àòîìîâ âòîðîãî ìàòåðèàëà, ïðèëîæåííàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ çàñòàâèò ýòè ýëåêòðîíû íå èçìåíÿÿ áîëåå ñâîèõ ýíåðãèé ïåðåñêàêèâàòü ïî àòîìàì äàëüøå. Òàêèì îáðàçîì ýëåêòðîíû ïðîéäóò ÷åðåç âåñü âòîðîé ìàòåðèàë äî ïîëîæèòåëüíîãî ïîëþñà áàòàðåè. À ïîêà îíè áóäóò èäòè, ïåðâûé ñëîé ñíîâà çàïîëíèòñÿ ïðèøåäøèìè èç ïåðâîãî ìàòåðèàëà ýëåêòðîíàìè, êîòîðûå ñíîâà èçëó÷àò ñâåò ïðè ñíèæåíèè ñâîèõ îðáèò è âñ¸ ïîâòîðèòñÿ.
Ãëàâà 2. Òî æå ñàìîå áîëåå ïîäðîáíî
Ïî õîäó ïðî÷òåíèÿ ïðåäûäóùåãî êðàéíå ïðîñòîãî îáúÿñíåíèÿ ó âàñ íàâåðíÿêà âîçíèêëè âîïðîñû, íà êîòîðûå ÿ ïîñòàðàþñü îòâåòèòü â ýòîé áîëåå ïîäðîáíîé ãëàâå. Ñíà÷àëà ìû ïîçíàêîìèìñÿ ñ íåêîòîðûìè íîâûìè ïîíÿòèÿìè, òàêèìè êàê ïîëóïðîâîäíèêè, ýëåêòðîííàÿ è äûðî÷íàÿ ïðîâîäèìîñòè è ò.ï., à ïîòîì ïåðåéä¸ì íåïîñðåäñòâåííî ê ðàáîòå ñâåòîäèîäà.
Çàìå÷ó, ÷òî ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå íà àòîìíîì óðîâíå, ïðåäñòàâëåíû çäåñü â âèäå îáùåïðèíÿòûõ, íî íå ñîâñåì òî÷íûõ ìîäåëåé. Ýòè ìîäåëè ïðèçâàíû äàòü ïðèáëèçèòåëüíîå ïîíÿòèå î òîì, ÷òî íà ñàìîì äåëå ïðîèñõîäèò, è èõ íåëüçÿ èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå îñíîâû äëÿ ïîñòðîåíèÿ áîëåå ãëóáîêèõ óìîçàêëþ÷åíèé.  ìèêðîìèðå çàêàí÷èâàåòñÿ ïðèâû÷íàÿ íàì ôèçèêà è íà÷èíàåòñÿ ÷èñòàÿ ìàòåìàòèêà, à ñ ïîìîùüþ ìîäåëåé ìû èìååì âîçìîæíîñòü õîòü åù¸ íåìíîãî ïðîäîëæèòü ïðèâû÷íóþ íàì ôèçèêó.
Ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà àòîìà
Âíóòðè àòîìà ýëåêòðîí ìîæåò îáëàäàòü òîëüêî îïðåäåë¸ííûìè ôèêñèðîâàííûìè âåëè÷èíàìè ýíåðãèè. Ýòè âåëè÷èíû (ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè) ìîæíî óñëîâíî îáúåäèíèòü â áîëåå êðóïíûå çîíû. Ýëåêòðîíàì êàæäîé çîíû ñâîéñòâåííî ñâî¸ ïîâåäåíèå.

Ðàññìîòðèì çîííóþ ñòðóêòóðó àòîìîâ ðàññìàòðèâàåìûõ íàìè ìàòåðèàëîâ, íà÷èíàÿ ñ óðîâíåé íàèìåíüøèõ ýíåðãèé:
1. Çîíà îñíîâíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Ýëåêòðîíû ýòîé çîíû ðàñïîëîæåíû áëèæå äðóãèõ ê ÿäðó. Îíè èìåþò íàèìåíüøóþ ýíåðãèþ è â ðàññìàòðèâàåìûõ íàìè ïðîöåññàõ íå ó÷àñòâóþò.
2. Âàëåíòíàÿ çîíà. Ýëåêòðîíû èìåííî ýòîé çîíû ó÷àñòâóþò â ýëåêòðè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ (âàëåíòíûå ýëåêòðîíû). Ðàñïîëîæåíû íà âåðõíèõ îðáèòàõ àòîìîâ.
3. Çàïðåùåííàÿ çîíà. Çîíà ýíåðãèé, êîòîðîé íå îáëàäàþò ýëåêòðîíû äàííîãî âåùåñòâà. Çàïðåùåííîé çîíû íåò ëèøü â ìåòàëëàõ.  äèýëåêòðèêàõ îíà íàèáîëüøàÿ.  êà÷åñòâå ìàòåðèàëîâ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ äèîäîâ (â òîì ÷èñëå è ñâåòîäèîäîâ) ïðèìåíÿþò ïîëóïðîâîäíèêè. Ïîëóïðîâîäíèêè — ýòî âåùåñòâà ñ ðàçìåðîì çàïðåù¸ííîé çîíû ìåíüøèì, ÷åì ó äèýëåêòðèêîâ. Äàëüíåéøåå ïîâåñòâîâàíèå áóäåò êàñàòüñÿ â îñíîâíîì ïîëóïðîâîäíèêîâ.
4. Çîíà ïðîâîäèìîñòè. Ýëåêòðîíû, èìåþùèå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè ýòîé çîíû, íå íàõîäÿòñÿ íà îðáèòàõ ñâîèõ àòîìîâ, à áåñïîðÿäî÷íî ïåðåäâèãàþòñÿ îò àòîìà ê àòîìó. Èìåííî îíè îáåñïå÷èâàþò âûñîêóþ ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ìåòàëëîâ. Ìàòåðèàëû, íå èìåþùèå ýëåêòðîíîâ â çîíå ïðîâîäèìîñòè, ÿâëÿþòñÿ äèýëåêòðèêàìè.
Êîâàëåíòíàÿ ñâÿçü ìåæäó àòîìàìè ïîëóïðîâîäíèêà
Àòîìû ïîëóïðîâîäíèêà (íàïðèìåð, ãåðìàíèÿ) ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì âàëåíòíûìè ýëåêòðîíàìè. Ñâÿçü ïðîèñõîäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ó ãåðìàíèÿ 4 âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà. Âîêðóã êàæäîé ïàðû àòîìîâ ãåðìàíèÿ äâèæóòñÿ 2 âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà — ïî îäíîìó îò êàæäîãî àòîìà. Àòîìû âûñòðàèâàþòñÿ òàê, ÷òîáû ó êàæäîãî áûëî ñòîëüêî ñîñåäíèõ àòîìîâ, ñêîëüêî âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ îí èìååò. Òàêèì îáðàçîì âñå âàëåíòíûå ýëåêòðîíû ó âñåõ àòîìîâ ïîëó÷àþòñÿ çàäåéñòâîâàííûìè. Òàêàÿ ñâÿçü íàçûâàåòñÿ êîâàëåíòíîé.

Íà ðèñóíêå âû âèäèòå ðàçâåðíóòóþ â ïëîñêîñòü ìîäåëü ôðàãìåíòà êðèñòàëëè÷åñêîé ðåø¸òêè ãåðìàíèÿ, íà êîòîðîé äåìîíñòðèðóåòñÿ êîâàëåíòíàÿ ñâÿçü.
Ñèëîé êîâàëåíòíîé ñâÿçè ìîæíî îáúÿñíèòü ñóùåñòâîâàíèå çàïðåùåííîé çîíû â ïîëóïðîâîäíèêàõ è äèýëåêòðèêàõ. ×åì áîëüøå ýíåðãèè íàäî çàòðàòèòü, ÷òîáû îòîðâàòü âàëåíòíûå ýëåêòðîíû, ó÷àñòâóþùèå â êîâàëåíòíîé ñâÿçè, è îòïðàâèòü èõ â çîíó ïðîâîäèìîñòè, òåì øèðå çàïðåùåííàÿ çîíà. Ýòî ëîãè÷íî.  ìåòàëëàõ êîâàëåíòíîé ñâÿçè íåò, íåò è çàïðåù¸ííîé çîíû.
Ýëåêòðîííàÿ è äûðî÷íàÿ ïðîâîäèìîñòü
 ïîëóïðîâîäíèêàõ ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû âûøå àáñîëþòíîãî íóëÿ íåêîòîðûå ýëåêòðîíû âàëåíòíîé çîíû ïîëó÷àþò äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ, êîòîðîé ñòàíîâèòñÿ äîñòàòî÷íî äëÿ ïðåîäîëåíèÿ çàïðåù¸ííîé çîíû è ïåðåõîäà íà óðîâåíü ïðîâîäèìîñòè.  èòîãå ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå â çîíå ïðîâîäèìîñòè ïîñòîÿííî ïðèñóòñòâóåò íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ, à â âàëåíòíîé çîíå àòîìîâ îáðàçóåòñÿ äåôèöèò ýëåêòðîíîâ (äûðêè).
 èòîãå ïîëóïðîâîäíèê íà÷èíàåò îáëàäàòü è ýëåêòðîííîé è äûðî÷íîé ïðîâîäèìîñòüþ — ýëåêòðîííóþ ïðîâîäèìîñòü îñóùåñòâëÿþò ýëåêòðîíû, ñâîáîäíî ïåðåìåùàþùèåñÿ â çîíå ïðîâîäèìîñòè, à äûðî÷íóþ — ýëåêòðîíû â çîíå âàëåíòíîñòè, ñïîñîáíûå ïåðåñêàêèâàòü â äûðêó ñ ñîñåäíèõ àòîìîâ. Ïðè ýòîì ýëåêòðîííàÿ ïðîâîäèìîñòü äîìèíèðóåò íàä äûðî÷íîé, òàê êàê ýëåêòðîíû çîíû ïðîâîäèìîñòè ïåðåìåùàþòñÿ ñâîáîäíåå, íî îáùàÿ ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïîëóïðîâîäíèêà åñòåñòâåííî ñêëàäûâàåòñÿ èç ýòèõ äâóõ ïðîâîäèìîñòåé.
Ïðèìåñíàÿ ïðîâîäèìîñòü
Çàìåùàÿ ó ïîëóïðîâîäíèêà íåêîòîðûå àòîìû íà àòîìû äðóãèõ âåùåñòâ ñ òîé èëè èíîé âàëåíòíîñòüþ, ìîæíî óâåëè÷èòü ëèáî êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ â çîíå ïðîâîäèìîñòè, ëèáî êîëè÷åñòâî äûðîê â âàëåíòíîé çîíå. Ïðîèñõîäèò ýòî ñëåäóþùèì îáðàçîì:

1. Ýëåêòðîííàÿ ïðîâîäèìîñòü (ïðîâîäèìîñòü n-òèïà). Íåêîòîðûå àòîìû ÷åòûðåõâàëåíòíîãî ãåðìàíèÿ çàìåíÿåì íà àòîìû ïÿòèâàëåíòíîé ñóðüìû. Ïðè êîâàëåíòíîé ñâÿçè ó àòîìîâ ñóðüìû îêàçûâàåòñÿ íåçàäåéñòâîâàííûì ïÿòûé âàëåíòíûé ýëåêòðîí, êîòîðûé íà÷èíàåò âðàùàòüñÿ âîêðóã àòîìà ñóðüìû è îáúåäèí¸ííûõ ñ íèì êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ àòîìîâ ãåðìàíèÿ. Àòîì ñóðüìû è ñâÿçàííûå ñ íèì êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ àòîìû ãåðìàíèÿ îáðàçóþò äëÿ ýòîãî ýëåêòðîíà íåêîå ÿäðî, è âñÿ êîíñòðóêöèÿ èçäàëåêà íà÷èíàåò íàïîìèíàòü àòîì âîäîðîäà ñ îäíèì ýëåêòðîíîì. Ýëåêòðîí çàíèìàåò ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, êîòîðûé íàêëàäûâàåòñÿ íà óðîâåíü çàïðåùåííîé çîíû àòîìîâ ãåðìàíèÿ. Óðîâåíü íàõîäèòñÿ ó âåðõíåãî êðàÿ çàïðåù¸ííîé çîíû ãåðìàíèÿ, ïî÷òè ó åãî çîíû ïðîâîäèìîñòè. Ïîýòîìó ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ýëåêòðîíû ñ ýòîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ ëåãêî óõîäÿò â çîíó ïðîâîäèìîñòè.  çîíå ïðîâîäèìîñòè îêàçûâàåòñÿ î÷åíü ìíîãî ýëåêòðîíîâ, è ïîëóïðîâîäíèê ïîëó÷àåò õîðîøóþ ýëåêòðîííóþ ïðîâîäèìîñòü.
2. Äûðî÷íàÿ ïðîâîäèìîñòü (ïðîâîäèìîñòü p-òèïà). Íåêîòîðûå àòîìû ÷åòûð¸õâàëåíòíîãî ãåðìàíèÿ çàìåíÿåì íà àòîìû òð¸õâàëåíòíîãî èíäèÿ. Ïðè êîâàëåíòíîé ñâÿçè àòîìó èíäèÿ íå õâàòàåò îäíîãî ýëåêòðîíà, ÷òîáû ñâÿçàòüñÿ ñ ÷åòâåðòûì àòîìîì ãåðìàíèÿ.  ðåçóëüòàòå ó àòîìà èíäèÿ îáðàçóåòñÿ äåôèöèò ýëåêòðîíà äëÿ ïîëíîöåííîé êîâàëåíòíîé ñâÿçè, êîòîðàÿ åìó î÷åíü âàæíà. ×òîáû çàíÿòü ìåñòî ýòîãî ýëåêòðîíà â àòîìå èíäèÿ, âàëåíòíîìó ýëåêòðîíó ñîñåäíåãî àòîìà ãåðìàíèÿ íóæíî ñîâñåì íåìíîãî ýíåðãèè. Ïîëó÷èâ å¸ â ðåçóëüòàòå òåïëîâîãî âîçäåéñòâèÿ, îí íåìíîãî óâåëè÷èâàåò ñâîé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü è çàíèìàåò ýòî ìåñòî â êîâàëåíòíîé ñâÿçè. Òåïåðü åãî ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü â àòîìå èíäèÿ íàêëàäûâàåòñÿ íà óðîâåíü çàïðåùåííîé çîíû àòîìîâ ãåðìàíèÿ. Íî â îòëè÷èå îò ñëó÷àÿ ñ ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ, ýòîò ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü íàõîäèòñÿ â çàïðåù¸ííîé çîíå íå ó çîíû ïðîâîäèìîñòè, à íèæå, ó çîíû âàëåíòíîñòè àòîìîâ ãåðìàíèÿ.  ðåçóëüòàòå â àòîìàõ ãåðìàíèÿ â çîíå âàëåíòíîñòè îáðàçóþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå äûðêè, â êîòîðûå ñìîãóò ïåðåñêàêèâàòü ýëåêòðîíû ñ ñîñåäíèõ àòîìîâ. Äûðîê ïîëó÷àåòñÿ ìíîãî, ïîýòîìó ñîçäàþòñÿ óñëîâèÿ äëÿ õîðîøåé äûðî÷íîé ïðîâîäèìîñòè.
Ðàáîòà ýëåêòðîííî-äûðî÷íîãî ïåðåõîäà
Òåïåðü ñëîæèì äâà ðàçíûõ ïîëóïðîâîäíèêà âìåñòå, è ïîäêëþ÷èì ïðÿìîå íàïðÿæåíèå — ìèíóñ ê ïîëóïðîâîäíèêó ñ ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ, à ïëþñ — ê ïîëóïðîâîäíèêó ñ äûðî÷íîé ïðîâîäèìîñòüþ. Èç-çà ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ýëåêòðîíû èç çîíû ïðîâîäèìîñòè ïåðâîãî ïîëóïðîâîäíèêà, ïðîñêàêèâàÿ ìåæäó àòîìàìè, óñòðåìÿòñÿ â ñòîðîíó âòîðîãî. Äîñòèãíóâ åãî, îíè áóäóò ïåðåñêàêèâàòü íà æäóùèå èõ àòîìû âòîðîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñ îòñóòñòâóþùèìè âàëåíòíûìè ýëåêòðîíàìè, è äàëåå ïîéäóò ïî öåïî÷êå ýòèõ àòîìîâ, ïåðåñêàêèâàÿ îò îäíîãî ê äðóãîìó, ïîêà íå âûéäóò ÷åðåç ïëþñîâîé âûâîä.
 ìîìåíò, êîãäà ýëåêòðîíû îïóñêàþòñÿ èç çîíû ïðîâîäèìîñòè ÷åðåç çàïðåù¸ííóþ çîíó íà âàëåíòíûå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè àòîìîâ âòîðîãî ïîëóïðîâîäíèêà, èç ýëåêòðîíîâ âûäåëÿåòñÿ ëèøíÿÿ ýíåðãèÿ, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ øèðèíå çàïðåù¸ííîé çîíû. Ïðîöåññ çàíÿòèÿ ýëåêòðîíîì çîíû ïðîâîäèìîñòè ïóñòîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ â àòîìå íàçûâàåòñÿ ðåêîìáèíàöèåé.
Ðàáîòà ñâåòîäèîäà
 ñëó÷àå ñ ãåðìàíèåì âûäåëåíèå ýëåêòðîíàìè ýíåðãèè ïðè ïåðåñå÷åíèè íåáîëüøîé çàïðåù¸ííîé çîíû íåçíà÷èòåëüíî, è ðàñõîäóåòñÿ ëèøü íà òåïëîâîå ðàñêà÷èâàíèå àòîìîâ. Äëÿ òîãî, ÷òîáû ýíåðãèÿ âûäåëÿëàñü â âèäå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí (ïîòîêà ôîòîíîâ) ñâåòîâîãî äèàïàçîíà, ïðèìåíÿþò ïîëóïðîâîäíèêè ñ áîëüøèì ðàçìåðîì çàïðåù¸ííîé çîíû.  ýòîì ñëó÷àå ïðè ðåêîìáèíàöèè ýëåêòðîíà âûäåëÿåòñÿ ôîòîí (êâàíò ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû) ñ áîëüøîé ýíåðãèåé. Ýíåðãèÿ ôîòîíà ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû. Ïîäáèðàÿ ïîëóïðîâîäíèêè ñ ðàçíûì ðàçìåðîì çàïðåù¸ííîé çîíû ìîæíî ìåíÿòü öâåò èçëó÷åíèÿ.
Ãëàâà 3. Ôèçèêà ðàáîòû ñîâðåìåííûõ ñâåòîäèîäîâ
 ñîâðåìåííûõ ñâåòîäèîäàõ äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè èõ ðàáîòû èñïîëüçóþò ñëîæíóþ ñòðóêòóðó ïîëóïðîâîäíèêîâ. Âìåñòî îáû÷íîãî ýëåêòðîííî-äûðî÷íîãî ïåðåõîäà (íà îñíîâå îäíîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñ ïðèìåñÿìè ðàçíîé âàëåíòíîñòè) ïðèìåíÿþò íåñêîëüêî ïîñëåäîâàòåëüíûõ ãåòåðîïåðåõîäîâ (ïåðåõîäîâ ìåæäó ïîëóïðîâîäíèêàìè ðàçíûõ ñîñòàâîâ).  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ìåæäó äâóìÿ ïîëóïðîâîäíèêàìè ðàçíîãî òèïà ïðîâîäèìîñòè ïîìåùàþò òîíêèé ñëîé (ïë¸íêó) ïîëóïðîâîäíèêà áåç ïðèìåñåé (ñ íåâûðàæåííûì òèïîì ïðîâîäèìîñòè) è ñ îòíîñèòåëüíî ìåíüøèì ðàçìåðîì çàïðåù¸ííîé çîíû â åãî àòîìàõ.

Èç-çà ðàçëè÷íîé øèðèíû çàïðåù¸ííûõ çîí ýòèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, òîíêèé öåíòðàëüíûé ñëîé îáðàçóåò â ñåáå ò.í. êâàíòîâóþ ÿìó äëÿ ýëåêòðîíîâ.
Ýëåêòðîíû ïîïàäàþò â ýòîò ïîëóïðîâîäíèê è ïðèíèìàþò íàèìåíüøèé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü åãî çîíû ïðîâîäèìîñòè, áëèæå ê äíó ÿìû, ïîñëå ÷åãî íå ìîãóò ñâîáîäíî ïðîñêî÷èòü äàëüøå ïî çîíå ïðîâîäèìîñòè, èáî èõ ýíåðãèÿ óæå íèæå ýíåðãèè ïðîâîäèìîñòè ñëåäóþùåãî ìàòåðèàëà.  ðåçóëüòàòå îíè îêàçûâàþòñÿ çàïåðòûìè è âûíóæäåíû ðåêîìáèíèðîâàòü â ýòîé òîíêîé îáëàñòè.
Ðåêîìáèíàöèÿ â òîíêîì ïîëóïðîâîäíèêîâîì ñëîå, íå èìåþùåì ïðèìåñåé, äà¸ò íåñêîëüêî ïðåèìóùåñòâ:
1. Çà ñ÷¸ò óìåíüøåíèÿ îáú¸ìà, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò ðåêîìáèíàöèÿ, óâåëè÷èâàåòñÿ êîíöåíòðàöèÿ ðåêîìáèíèðóþùèõ ýëåêòðîíîâ, ÷òî óìåíüøàåò âåðîÿòíîñòü ðàñõîäà ýíåðãèè íà òåïëîâûå êîëåáàíèÿ àòîìîâ.
2.  ðåçóëüòàòå îòñóòñòâèÿ ïðèìåñåé â öåíòðàëüíîì ñëîå, âåðîÿòíîñòü áåçèçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè òîæå óìåíüøàåòñÿ, ïîñêîëüêó ýòè ñàìûå ïðèìåñè è äðóãèå äåôåêòû àòîìíîé ñòðóêòóðû ïîëóïðîâîäíèêà êàê ðàç è ÿâëÿþòñÿ å¸ èñòî÷íèêîì.
3. Âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàòü öâåò òîëùèíîé ñëîÿ.
Îáúÿñíþ ïîñëåäíèé ïóíêò ïîäðîáíåå. Ïðè òîëùèíå öåíòðàëüíîãî ñëîÿ âñåãî â íåñêîëüêî ñëî¸â àòîìîâ ïîÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàòü ýòîé òîëùèíîé ýíåðãèþ èñïóñêàåìûõ ðåêîìáèíèðóþùèìè ýëåêòðîíàìè ôîòîíîâ (öâåò èçëó÷åíèÿ) êàê çà ñ÷¸ò ýôôåêòà ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ, òàê è çà ñ÷åò óïðóãîé äåôîðìàöèè ñëîÿ. È òî è äðóãîå âëèÿåò íà âåëè÷èíó ðàñùåïëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé, î ÷¸ì áóäåò ñêàçàíî íèæå.
Ðåãóëèðîâêà ðàçìåðíûì êâàíòîâàíèåì çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì:
* Åñëè ýëåêòðîíû çàïåðòû â îãðàíè÷åííîì îáú¸ìå (íàïðèìåð, â àòîìå âåùåñòâà, íàõîäÿñü íà åãî îðáèòå) òî îíè çàíèìàþò ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íå ìåøàòü äðóã äðóãó. Ýòî çíà÷èò, ÷òî íà îäíîì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå ìîæåò íàõîäèòñÿ ìàêñèìóì òîëüêî äâà ýëåêòðîíà, è òî â òîì ñëó÷àå, åñëè îíè èìåþò ïðîòèâîïîëîæíûé ñïèí (ïðîòèâîïîëîæíûé ñîáñòâåííûé èìïóëüñ). Áîëåå òîãî, ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè ìîãóò èìåòü òîëüêî îïðåäåë¸ííûå ôèêñèðîâàííûå çíà÷åíèÿ.
Âíóòðè àòîìà òàê è ïðîèñõîäèò. Íî åñëè èç âñåõ àòîìîâ âåùåñòâà âûéäåò õîòÿ áû ïî îäíîìó ýëåêòðîíó, êîòîðûå ïîïûòàþòñÿ çàíÿòü îäèí è òîò-æå ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü â çîíå ïðîâîäèìîñòè, òî ýòîò óðîâåíü íà÷íåò ðàñùåïëÿòüñÿ íà íåñêîëüêî ïîäóðîâíåé ïî ÷èñëó àòîìîâ âåùåñòâà.  ñðàâíèòåëüíî áîëüøèõ îáú¸ìàõ âåùåñòâà ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ñëèâàþòñÿ â îäíó áîëüøóþ çîíó, è î êàêîì-ëèáî êâàíòîâàíèè ýíåðãèé â çîíå ïðîâîäèìîñòè íå ìîæåò èäòè è ðå÷è.
Íî åñëè æå ìû ôèçè÷åñêè îãðàíè÷èì ðàçìåðû âåùåñòâà, òî ýëåêòðîíîâ ñ îäèíàêîâûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè áóäåò ìåíüøå, ñëåäîâàòåëüíî ìåíüøå áóäåò è ðàñùåïëåíèå. Ïðè äàëüíåéøåì óìåíüøåíèè ðàçìåðà âåùåñòâà ìû áóäåì íàáëþäàòü, êàê èç «ðàçìàçàííîãî» ýíåðãåòè÷åñêîãî ñïåêòðà ðîæäàþòñÿ êîíêðåòíûå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè, òî åñòü ìû âèäèì, ÷òî ýíåðãèÿ ýëåêòðîíîâ êâàíòóåòñÿ — èìååò êîíå÷íóþ äèñêðåòíîñòü. Ýôôåêò êâàíòîâàíèå ýíåðãèé ïðè óìåíüøåíèè ðàçìåðîâ âåùåñòâà íàçûâàåòñÿ êâàíòîâî-ðàçìåðíûì ýôôåêòîì èëè ýôôåêòîì ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ.
Ïðè òîëùèíå öåíòðàëüíîãî ñëîÿ, ñðàâíèìîé ñ äëèíàìè âîëí ýëåêòðîíà, êîëè÷åñòâî ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé â çîíå ïðîâîäèìîñòè ñòàíîâèòñÿ íåáîëüøèì. Ýòî ïðîèñõîäèò èç çà òîãî, ÷òî êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îäíèõ è òåõ æå ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé â âåùåñòâå ñîêðàùàåòñÿ, è ýòè óðîâíè ïåðåñòàþò òàê ñèëüíî ðàñùåïëÿòüñÿ.  èòîãå «ðàçìàçàííàÿ» ïî âñåé êâàíòîâîé ÿìå ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà ñòÿãèâàåòñÿ â îãðàíè÷åííûå çîíû, è ïðèáëèæàþòñÿ ê åäèíè÷íûì óðîâíÿì, êàê ýòî ïðîèñõîäèò â îòäåëüíîì àòîìå.
 èòîãå íèæíèé ðàñùåïë¸ííûé óðîâåíü îòäàëÿåòñÿ îò çàïðåù¸ííîé çîíû, è ïîäòÿãèâàåòñÿ ê öåíòðó ðàñùåïëåíèÿ — ýíåðãåòè÷åñêîìó óðîâíþ åäèíè÷íîãî àòîìà. Òàêèì îáðàçîì, ðàçíèöà ìåæäó ýíåðãèåé ýëåêòðîíîâ çîíû ïðîâîäèìîñòè è ýíåðãèé ñâîáîäíîãî óðîâíÿ öåëåâîãî àòîìà óâåëè÷èâàåòñÿ. Òåïåðü äëÿ ðåêîìáèíàöèè ïîòðåáóåòñÿ áîëüøèé âûáðîñ ýíåðãèè ýëåêòðîíîì, à çíà÷èò èçìåíèòñÿ è öâåò ñâå÷åíèÿ.
Ðåãóëèðîâêà óïðóãîé äåôîðìàöèåé çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì:
* Ïðè óìåíüøåíèè òîëùèíû öåíòðàëüíîãî ñëîÿ åãî ñâîéñòâà âñ¸ â áîëüøåé ñòåïåíè íà÷èíàþò çàâèñåòü îò âëèÿíèÿ íà åãî àòîìû àòîìîâ ñîñåäíèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, ñèë ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ êðèñòàëëà è ò.ï..  öåíòðàëüíîì ñëîå âîçíèêàþò îïðåäåëåííûå óïðóãèå äåôîðìàöèè, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ ìåíÿåòñÿ ðàññòîÿíèå ìåæäó àòîìàìè, à çíà÷èò, ìåíÿåòñÿ øèðèíà ðàñùåïëåííûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé ýëåêòðîíîâ (ïðè ñáëèæåíèè àòîìîâ íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòüñÿ ýôôåêò, ñâÿçàííûé ñ íåâîçìîæíîñòüþ âçàèìîäåéñòâóþùèõ ýëåêòðîíîâ íàõîäèòüñÿ íà îäíèõ è òåõ æå ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíÿõ, è îíè âûíóæäåíû ðàñùåïëÿòüñÿ íà øèðèíó, ïðîïîðöèîíàëüíóþ ðàññòîÿíèþ ìåæäó àòîìàìè). Ðàñøèðåíèå ðàñùåïë¸ííûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé óìåíüøàåò ðàçíèöó ìåæäó ýíåðãèåé ýëåêòðîíîâ çîíû ïðîâîäèìîñòè è ýíåðãèé ñâîáîäíîãî óðîâíÿ öåëåâîãî àòîìà, à ýòî óìåíüøàåò âûäåëÿþùóþñÿ ýíåðãèþ ÷òî è èçìåíÿåò öâåò ñâå÷åíèÿ.
Ìàòåðèàëû àêòèâíîé çîíû ñâåòîäèîäîâ ðàçíûõ ñïåêòðîâ ñâå÷åíèÿ
(c) Ìàêñèì Íîâèêîâ