Полупроводники

Современная физика для описания полупроводников использует следующую модель. "Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объём полупроводника избыточные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в которое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа)." Но реалиям природы эта модель не соответствует.

Ведь генератор Вимшурста

свидетельствует, что электроны бегать никуда не могут: противоположные стороны диска соединены проводником. И если бы они могли бы бегать, то перебегая по проводнику они не смогли бы подавать на лейденские банки ни плюса, ни минуса. Т.е. знак заряда определяется не избытком или недостатком электронов, а направлением движения электронов вокруг протонов с нейтронами и направлением их вращения.

Если внимательно посмотреть на рис 1, то можно увидеть, что диски с металлическими пластинами двигаются относительно мишурных щёток в одном направлении. А вот мишурные щётки «двигаются» относительно диска по разные его стороны в противоположном направлении. Т.е. сила трения скольжения действует на материал щёток, а не на диск с пластинами. Материал же щёток содержит в поверхностном слое хаотически расположенные кристаллики (вихри Бенара).

В вихре Бенара среда (в нашем случае внешние для атомов анаполи) опускается сверху вниз. Следовательно для синих цилиндриков траектории движения внешних анаполей должны сгущаться. Но в твёрдых телах сами внешние анаполи двигаться не могут. Поэтому фиктивное сгущение траекторий движения анаполей заменяется реальным движением электронов (двигающихся ранее по своим протонам с нейтронами анаполя) по внешним анаполям синих цилиндриков. В жёлтых цилиндриках напротив наблюдается разрежение траекторий внешних анаполей, что сопровождается движением электронов в обратном направлении (которое формируется хоботом, т. е. разницей между центростремительной и центробежной силами).

А т. к. движение электронов в прямом направлении определяется периферией, а в обратном хоботом, то при одинаковом числе синих и жёлтых цилиндриков движение в прямом направлении будет больше чем движение электронов в обратном направлении. Сменили мы направление действия силы трения скольжения, соответственно сменится и численность электронов, двигающихся в прямом и в обратном направлениях. Соответственно одна сторона генератора Вимшурста формировать будет плюс, а вторая минус. Т.е. электроны не бегают из одной лейденской банки в другую, а только изменяется направление их движения в пределах синих или жёлтых цилиндриках (вихрях Бенара).

А т. к. электроны в принципе не могут бегать по проводнику, то при легировании полупроводников нет ни доноров, ни акцепторов. Как же в этом случае работают легированные полупроводники?

Скажем для кремния современные руководства рекомендуют: "Дырочная проводимость достигается введением акцепторов, т.е. элементов III группы – Аl или В. Электронная проводимость – введением доноров элементов V группы – Аs или Sb." Но если сами электроны не могут бегать туда и сюда, то каким же образом возникают плюс (дырочная проводимость) при введении акцепторов и минус (электронная проводимость) при введении доноров?

Если обычные силы работают только с периферией вихря Бенара, то электрические и магнитные силы имеют более универсальный характер: они проникают и внутрь вихря. Вспомним, что позитроны в вихре Бенара протона на периферии формируют плюс, а в хоботе минус. Внешние же для атомов анаполи формируются движением электронов внешнего кольца атомов вокруг протонов с нейтронами. Из внешних анаполей формируется вихрь Бенара, в хоботе которого электроны внешних анаполей бегают вокруг протонов с нейтронами в одном направлении (формируя плюс), а на периферии бегают в противоположном направлении (формируя минус). И это положение соблюдается как для основного вещества, так и для примесей.

Внешние анаполи (на рисунке они сформированы из пар протон нейтрон внешних колец атомов, а скажем в Аl или В внешние кольца атомов содержат по 3 пары протон нейтрон, а Аs или Sb содержат по 5 пар, в то время как кремний имеет 4 пары во внешнем кольце)

формируют вихрь Бенара в хоботе которого электроны вращаются в одном направлении, а на периферии в противоположном. В стационарном состоянии все электроны вращаются в пределах собственного внешнего анаполя. А для того чтобы центростремительная сила была больше центробежной силы акцепторы с меньшим числом электронов во внешних анаполях должны располагаться в хоботе вихря, а доноры с большим числом электронов должны концентрироваться на периферии.

Приложили мы внешнее электрическое поле на эту систему вихрей Бенара (кристаллики поликристаллического тела). Если в гидродинамическом случае внешнее поле (скажем давление в трубопроводе) действует только на периферию вихрей, то для магнитного и для электрического поля границ не существует: оно действует как на хобот, так и на периферию. При приложении напряжения электроны внешних анаполей начинают перемещаться по анаполям. Перемещение же осуществляется в стандартной для вихря Бенара форме: т. е. по хоботу снизу вверх, а по периферии сверху вниз. И естественно, что напряжение в первую очередь действует на выскочек, выделившихся из общей массы внешних анаполей. Т.е. выскочки электроны внешних анаполей акцепторов, находящиеся в хоботе вихря, начинают движение по внешним анаполям, заставляя суммарное их множество двигаться по анаполям вихря. Двигаются же они по протонам с нейтронами внешних колец. Иными словами тройка электронов прыгает по 4 парам протонов с нейтронами, что и формирует положительную дырку дырочной проводимости (не забываем, что электроны вышли из хобота, поэтому при своём движении они сохраняют направление вращения соответствующее плюсу). Точно так же электроны доноров (т. е. 5 электронов) двигаются по 4 парам протонов с нейтронами, формируя электронную проводимость.

Таким образом, дырочная проводимость формируется движением меньшего числа электронов по внешним анаполям с большим числом пар протонов с нейтронами (т. е. при каждом скачке один из протонов оказывается лишним, создавая дырку). При электронной проводимости большее число электронов прыгает по меньшему числу пар протонов с нейтронами (один из электронов оказывается лишним, формируя электронную проводимость). Заставить же электроны двигаться по внешним анаполям могут только затраты энергии, что и формирует величину электрического сопротивления.

Как в проводниках, так и в полупроводниках (как с дырочной, так и с электронной проводимостью) напряжение прикладывается в одном направлении, а противодействующая сила возникает в перпендикулярном направлении. Причём во всех случаях электроны двигаются по внешним анаполям вихря Бенара, одновременно участвуя и в движении по протонам с нейтронами внешних анаполей.

В какой-то мере ситуация в электродинамике подобна ситуации в гидродинамике. В гидродинамике создали мы, скажем давление в трубопроводе. На стенках трубы сила трения скольжения действует в обратном направлении. А т. к. жидкая или газовая среда имеет структуру из вихрей Бенара, то противодействующая сила возникает в перпендикулярном направлении поперёк потока. Вихри Бенара среды объединяются в вихри Тейлора,

двигающиеся в направлении оси своего вращения. Т.к. поток их сносит, то их траектории приобретают вид.

Но если в гидродинамике вихри нейтральны и появляется пара противодействующих, противоположно направленных сил, то в электродинамике электрическое или магнитное напряжение действует на заряженные объекты. Поэтому в кристалликах (вихрях Бенара) возникает движение электронов по внешним анаполям. Образно говоря появляется множество заряженных цилиндриков, вращающихся в ту или другую сторону. Конечно же, как это можно судить по рис 2, они не строго параллельны друг другу. Тем не менее, между двумя окружностями, вращающимися в одну сторону, в точке контакта возникает сила трения скольжения. А т. к. этих окружностей много, то в результате формируется вихрь, который можно представить половинкой рис 4,

с правым или с левым направлением вращения. Это явление имеет и следующий вид.

Этот же вид делает прозрачным с гидродинамическим аналогом стакана с чаем. Т.е. угловая скорость вращения вихревого тока постоянна на любом радиусе, проведённом, скажем, по горизонтали. А т. к. в этом случае тепловыделение в сплошном куске металла велико, то в электротехнике широко используются наборы из пластин, разделённые диэлектриком,

что используется в магнитопроводах трансформаторов. Но вихревые токи используются и непосредственно для индукционного нагрева.

На рис 8 и 9 магнитное поле имеет центральный характер, окружая деталь. Но вихревые токи возникают и в случае.

А здесь уже стоит вспомнить о работах Геннадия Николаева, который открыл детали магнитного поля, назвав своё открытие вторым магнитным полем. Назовём его в честь автора открытия аниколем (если анаполь является материальным объектом, то аниколь хотя и имеет ту же структуру что и анаполь, но является силовым объектом).

Свойства аниколя прекрасно продемонстрированы в видике Сергея Дейна «Магниты Второе магнитное поле Николаева 1 и 2». Аниколь распологается посредине между полюсами магнита в том месте где на рис 10 расположен диск. Полюса магнита обладают разными направлениями вращения магнитных силовых линий. Аниколь и позволяет изменить их направления вращения, что в виде схемы можно изобразить.

Эту особенность аниколя и продемонстрировал Сергей Дейна в видике в виде магнитной горки

и магнитной ямы.

Т.е. в одном случае полюс магнита проходя через аниколь рис 12 сначала испытывает отталкивание, а затем притяжение (магнитная горка). А в другом случае полюс вначале испытывает притяжение, а затем отталкивание (магнитная яма). Соответственно аниколь рис 10, расположенный между полюсами магнита, по типу магнитной горки и магнитной ямы при вращении диска с одной стороны создаёт вихревые токи одного направления вращения, а с другой стороны вихревые токи противоположного направления.

В работе «Туман над магнитным полем» ИР, 1962, №2 описываются эксперименты Родина.

Диск между двумя магнитами. Диск вращается, ток есть. Вращаются магниты при неподвижном диске, тока нет. Вращаются магниты вместе с диском, ток есть. На основе своих экспериментов Родин сделал вывод, что магнитное поле земле не принадлежит. И действительно мы уже знаем, что силы принадлежат эфирному телу земли. Земным же объектам они принадлежат только при непосредственном контакте (скажем толкаем мы руками шкаф, шкаф по Ньютону формирует непосредственную противодействующую силу). Магнитное же поле принадлежит эфирному телу земли, но действует на земные объекты.

Т.к. магнитное поле рис 10 не имеет центрального характера, то вихревые токи не проникают внутрь проводника, а располагаются на поверхности диска. Точно так же приложив к проводнику напряжение также мы не будем иметь поля центрального характера. Поэтому вихревые токи также будут иметь в основном поверхностный характер, неглубоко проникая вглубь проводника. Кстати, повышая напряжение мы уменьшаем глубину проникновения магнитного поля вглубь проводника. И при высоком напряжение ток течёт в тонком скин слое. При неподвижном диске рис 10 (и у Родина) ток отсутствует и магнит играет роль мебели. Но если мы пустили ток в плоскую пластину, то в ней появляется множество вихрей Бенара, в которых электроны внешних анаполей прыгают от анаполя к анаполю. И наложенное магнитное поле действует на вихревую систему, к которой мы обязаны применять правило прецессии. Магнитное поле действует перпендикулярно поверхности. Противодействующая сила перпендикулярна действующей и смещена в направлении вращения электронов в вихре Бенара. Эта противодействующая сила и создаёт напряжение в направлении перпендикулярном движению тока. А это и есть эффект Холла.

Поэтому в полупроводниках, обладающих проводимостью «n» и «p» типа, напряжения появляются в противоположных направлениях. Точно так же и пара с диамагнетиками также обязаны формировать напряжения в противоположных направлениях.