Текст книги "Что такое полупроводник"
Автор книги: Глеб Анфилов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 8 страниц)
О ПОДЛИННОЙ ТЕОРИИ
Прежде чем рассказывать дальше, автор вынужден принести извинение.
Для наглядности и понятности объяснений пришлось несколько упростить изложение физической сущности процессов. На самом деле ученые учитывают здесь многое, о чем нам пришлось умолчать.
Герой социалистического Труда академик Абрам Федорович Иоффе
Существует, в частности, на первый взгляд странное условие: электрон обладает противоречивыми свойствами: он ведет себя не только как частица, но и как волна. Этот факт трудно сразу осознать, физики к нему попросту привыкают – ничего не поделаешь, такова уж особенность {22} мира мельчайших частичек. Но доказано это совершенно неопровержимо.
И вот если учесть волновые свойства электрона и другие специфические особенности мельчайших частиц – их связи друг с другом, их взаимное влияние,– то все, о чем вы читали, удастся изложить совершенно строго, с точным количественным расчетом.
Такая работа очень трудна. На пути физиков появляется масса непредвиденных препятствий. Чтобы освободиться от них, приходится выдвигать разнообразные гипотезы, проводить огромные вычисления, ставить сложные опыты.
Вот почему создание теории полупроводников – замечательная победа науки. Это итог долголетних исканий многих исследователей. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Федоровичем Иоффе.
Сейчас теория полупроводников продолжает развиваться и совершенствоваться.
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Итак, наука разгадала секреты электропроводности полупроводников. Стала понятной роль свободных электронов и дырок, а также причина влияния примесей на свойства полупроводниковых материалов.
Что требуется сделать, чтобы получить полупроводник с теми или другими заранее «заказанными» свойствами? {23}
Теория подсказывает: надо сначала тщательнейшим образом очистить материал, а потом чуть «загрязнить» его специально подобранным веществом.
Загрязнить полупроводник, внести в него примесь, труда не составляет. А вот предварительно очистить его бывает подчас очень нелегко. Ведь иной раз требуется довести материал до такой степени чистоты, чтобы на десять миллиардов атомов приходился только один атом-чужак! Попытайтесь-ка найти несколько красных песчинок, затерявшихся в большом самосвале, доверху нагруженном желтым песком! Задания, которые получают химики, очищающие полупроводники, еще труднее: ведь атомы не ухватишь рукой: в одной песчинке их столько, сколько песчинок на морском берегу. И все-таки современная химия и металлургия успешно справляются с этой трудной задачей.
В кварцевой трубке – размолотый в порошок полупроводник. Кольцевая печка медленно движется слева направо. Порошок под ней плавится, и из жидкости выталкиваются примеси. Так полупроводники очищают от примесей.
Засолила хозяйка на зиму бочонок огурцов и поставила его в сарай. Однажды ударил сильный мороз, и рассол сверху замерз. Попробуйте кусочек льда. Вы удивитесь: он совсем несоленый. {24}
Вода вымерзла из рассола в чистом виде, а примесь соли осталась в растворе.
Схема установки для вытягивания полупроводниковых монокристаллов из расплава. Чтобы кристаллизация шла равномерно, ванна с расплавом и кристалл непрерывно вращаются в разные стороны.
Вымерзающее вещество почти всегда чище жидкости, из которой оно кристаллизуется. Явление это давно известно науке, и именно его обычно используют химики для очистки полупроводников. Материал размалывают в порошок и засыпают его в длинную кварцевую трубку толщиной в палец. Трубка укреплена горизонтально. Вдоль нее – от одного конца к другому – еле заметно движется маленькая электрическая печка: кольцо из керамики, с внутренней части которого проложена спираль (как у электроплитки). Эта кольцевая печка, плавит порошок в трубке, а по мере ее перемещения вперед расплав сзади застывает. Примеси словно выталкиваются вперед и отчасти назад (здесь играет роль неодинаковая способность примесей растворяться в твердом и жидком веществах).
В середине трубки получается чистое вещество. Впрочем, и при таком способе очистку приходится повторять много раз.
Для более тщательной очистки практикуют и другой метод: материал плавят, вводят в него маленький очищенный кристаллик, который затем медленно-медленно поднимают наверх. Кристаллик {25} разрастается. Чтобы кристаллизация шла правильнее, сосуд и затвердевший кристалл непрерывно вращают в разные стороны. Иногда всю эту операцию ведут в безвоздушной среде или в специальной защитной атмосфере. Из жидкого камня вытягивается целый столбик очищенного материала. С первого раза он и не всегда достаточно чист. Вытянутые столбики опять плавят, вытягивают новый, более чистый столбик, и так далее.
Получение химически чистых полупроводников – сложнейший производственный процесс. Он требует пока огромных сил и средств. Вот почему полупроводники еще недешевы, несмотря на обилие природного сырья для них. Научиться быстро и просто извлекать это сокровище – вот к чему стремятся сейчас ученые. И они добьются своего. Задача поставлена, путь ее решения виден.
{26}
НА СМЕНУ ТЕРМОМЕТРУ
{27}
ГРАДУСНИК УСТАРЕЛ
Многое из привычного, знакомого нам с детства, развитием техники осуждено на уничтожение. Уходит в прошлое свеча. Медная кастрюля уступает место своим алюминиевым сестрам. Прославленный в веках шелк – детище кокона тутового червя – сменяется чудесными тканями из древесины и угля. Паровозы заменяются тепловозами, электровозами, газотурбовозами.
А вот на стене ртутный термометр, казалось бы, неумирающая вещь. На самом же деле и термометр понемногу собирается на покой, в музей, оставляя наследника – маленький полупроводниковый прибор.
Мы подметили интересную особенность полупроводника: при нагревании резко увеличивается его электропроводность. Это свойство очень удобно применить для измерения температуры.
На стеклянной пластинке – слой полупроводника. С двух сторон к нему примыкают металлические проволочки. Через гальванометр – прибор, регистрирующий перемены тока,– они подключены к электрической батарейке. {29} Это простейший полупроводниковый электротермометр – термосопротивление,или термистор.
На холоде ток через него невелик, но чем теплее, тем ток сильнее. Стрелка прибора отмечает увеличение температуры, показывая ее прямо в градусах Цельсия.
Так выглядят некоторые термосопротивления, выпускаемые советской промышленностью.
Наши заводы выпускают самые разнообразные термисторы. Это и пластинка, и стеклянный баллончик или бусинка с проволочными хвостиками, и таблетка размером с кружочек конфетти, и просто чуть заметное пятнышко полупроводника, нанесенного прямо на стрелку гальванометра.
ТЫСЯЧА ИЗМЕРЕНИЙ
Не доверяя собственным ощущениям, вы нередко поглядываете на комнатный градусник. Если столбик серебристой жидкости упирается, скажем, в цифру 14, значит, холодновато, надо пожарче протопить-печку или отвернуть кран у батареи центрального отопления.
Но поставьте себя в положение коменданта большого здания, который обязан непрерывно следить за температурой {30} сразу в сотне, в тысяче помещений. Пусть это будет завод каких-нибудь точных приборов, требующих при изготовлении и испытании строго постоянной температуры. Как поступить в этом случае?
Попробуем повесить в каждом помещении те же испытанные помощники – ртутные термометры. Но разве одному человеку уследить за ними? Пришлось бы содержать целый штат курьеров. Зато, если вы откажетесь от ртутных термометров и замените их термосопротивлениями, задача решится очень легко. Провода, проложенные от термисторов из тысячи цехов, складов, лабораторий, быстро и надежно принесут показания о температуре на прибор в комнату коменданта. Отсюда – один шаг до централизованного автоматического управления отоплением.
Инженерам в наши дни приходится следить за температурой в таких местах, где обыкновенный термометр совсем неприменим. Попытайтесь-ка узнать с его помощью, как нагрета деталь где-нибудь в недрах сложной машины. Не выйдет. Хрупкий прибор туда не поднесешь, да и показания его не разглядишь. А ведь это нужно, чтобы предупреждать опасный перегрев трущихся частей, избегать плавления подшипников, устанавливать особенности работы механизмов в разных условиях.
Большую пользу сулят принести термисторы и нашему сельскому хозяйству. На Всесоюзной сельскохозяйственной выставке в павильоне «Ленинград – Северо-запад» большим успехом у посетителей пользуется стенд Ленинградского агрофизического института Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина. {31}
Вы увидите на этом стенде самые разнообразные электротермометры. Есть среди них длинные, многометровые штанги. Их вводят в ворох зерна и проверяют, не разогревается ли хлеб, не грозит ли ему порча, самовозгорание. Другие термисторы, похожие на кинжалы, агрономы весной втыкают в землю и узнают, как глубоко она прогрелась. Это очень помогает определять правильные сроки сева. Той же цели служит аппарат с характерным названием: «термопаук». Его проволочные «лапы» кончаются небольшими термисторами, которые фиксируют степень нагрева поверхности почвы, а стрелка прибора показывает среднюю температуру.
Но, пожалуй, интереснее всего здесь автоматический дистанционный электротермометр. В правлении колхоза или в избе-лаборатории стоит на столе небольшой аппарат, от которого тянутся провода в амбары, овощехранилища, закрома с семенами. Всюду там установлены термисторы. И чуть где-нибудь изменится необходимая, заранее заданная температура, на центральном аппарате раздается тревожный звонок. Это сигнал агроному: в хранилище нарушился температурный режим, надо принять срочные меры.
Дистанционные термометры – новое слово в сельскохозяйственном приборостроении.
Подобные устройства ждут применения и во многих других областях науки и техники.
Метеорологи нуждаются в сведениях о температуре заоблачных высот, геологи – глубоких недр земли. Во всех таких случаях самым простым и эффективным измерителем температуры зарекомендовал себя термистор.
ЧУТКАЯ ИГЛА
Заболела голова, по спине пробежал озноб. Вы ставите под мышку медицинский термометр и минут десять – пятнадцать сидите сложа руки – дожидаетесь, пока поднимется {32} ртутный столбик. Лениво работает прибор. Правда, в домашних условиях это не причиняет больших неудобств. Но в крупных больницах измерение температуры выливается в сложную процедуру. Иное дело – термистор.
Первыми у нас приспособили термосопротивление для медицинских целей московские физики А. Б. Фромберг и А. С. Егоров-Кузьмин. Приглашенный на испытание прибора профессор-медик за полсекунды измерил им температуру кожи на собственной руке! Потом профессор коснулся термистором кровеносного сосуда – и стрелка заметно передвинулась. Прибор уловил ничтожную разницу температуры. Врачи, обступившие профессора, пришли в восторг.
Позднее несколько типов подобных устройств – микроэлектротермометров – создал сотрудник Агрофизического института в Ленинграде В. Г. Карманов. Изобретатель дал им название «игла». Прибор похож по форме на отточенный карандаш. На конце – полупроводниковый шарик. Диаметр его – от 0,5 миллиметра до 50 микрон (50 микрон – толщина человеческого волоса). Крохотный кусочек полупроводника защищен снаружи тончайшей стеклянной оболочкой, в него введены две платиновые проволочки, подающие электрический ток.
Чтобы прибор работал быстрее, четче отзывался на перемены температуры, шарик сделан очень маленьким. Благодаря этому он скорее нагревается и остывает. «Игла» фиксирует неуловимые прежде колебания температуры, происходящие за десятые, даже за сотые доли секунды.
Есть электротермометры, обладающие настолько незначительными размерами чувствительных элементов, что их можно ввести непосредственно в пищевод или желудок. Микроскопический шарик безошибочно измеряет температуру крови прямо в кровеносном сосуде.
{33}
Один из микроэлектротермометров. Прибор настолько миниатюрен, что может измерить температуру снежинки. Внизу – схема микроэлектротермометра «игла».
В Москве в Научно-исследовательском институте хирургических аппаратов и инструментов создана целая серия разнообразных медицинских электротермометров. Врачи уже начали применять их на практике. Созданы микроэлектротермометры, которые одинаково хорошо измеряют температуры от 70 градусов мороза до 250 градусов тепла. Такой широкий диапазон в сочетании с быстротой действия открывает новому прибору широкую дорогу в самые разнообразные области техники.
К ТЫСЯЧЕГРАДУСНОЙ ЖАРЕ
Как ни хороши термосопротивления, но есть у них один недостаток: слишком сильного нагревания они не выносят. Существуют приборы, которые выдерживают {34} +250, +300 градусов Цельсия. Но это пока предел. Нагрейте полупроводник сильнее, и вы его безнадежно испортите.
Между тем потребность в простых и безотказных измерителях температуры в 900, 1000 градусов и выше очень велика. Металлурги, машиностроители давно уже жалуются: трудно существующими методами достигнуть необходимой точности измерений температуры при плавке металла, закалке изделий.
Неужели физика полупроводников здесь пасует?
Нет, решение проблемы возможно.
Мы раньше упоминали об изоляторах, которые при сильном нагреве становятся полупроводниками. Теперь им можно найти применение. Сделаем из такого вещества стержень и внесем его в печь. По изменению электропроводности стержня можно судить о его температуре. Такие тугоплавкие стержни созданы в Ленинграде, в Электротехническом институте имени Ульянова (Ленина).
Правда, иметь стержень – это еще не всё. Надо ведь включить его в электрическую цепь. Как это можно сделать? Просто присоединить стержень к металлическим проводам в печи нельзя. При высокой температуре немедленно начнутся химические реакции, на месте соединения образуется слой окиси, и контакт получится плохой.
Вывести концы стержня через стенку печи наружу тоже невозможно. Выведенные концы ведь будут холодными, они потеряют свои полупроводниковые свойства, опять станут изоляторами и откажутся проводить электрический ток.
Чтобы найти выход, приходится искать обходные пути, усложнять установку.
Впрочем, есть еще один замечательный способ определения температуры. Применяя его, не нужно помещать термометр непосредственно на раскаленное тело или вблизи него. Он позволяет проводить измерения температуры на расстоянии, притом иногда очень большом.
{35}
ТЕМПЕРАТУРА ИЗДАЛЕКА
Солнце находится от нас в 150 миллионах километров. Никто к нему не подлетал, никто не касался его термометром. И тем не менее температура поверхности светила отлично известна науке. Эти сведения принес сам солнечный свет.
Достигнув Земли, луч солнца попал в физическую лабораторию. Здесь на его пути поставили стеклянную призму, он тотчас растянулся в радужную полоску и словно сказал: вот я каков, все мои секреты на виду; теперь догадывайтесь, что за жара у меня на родине.
Ученые до этого провели опыты с обыкновенными земными лучами – теми, что испускает любой раскаленный предмет. Проходя сквозь призму, они тоже растягивались в полоску-спектр. И лучи, которые тело испускало при различных температурах, давали различные спектры. Накаляли тело до 1000 градусов – больше всего лучистой энергии получалось в красной части спектра; нагревали до 2000 градусов – в красной части энергии становилось поменьше, зато прибавлялось в желтой; доводили температуру до 3000 градусов – появлялся избыток энергии в голубой части спектра, и так далее. Много таких опытов провели физики и в конце концов открыли закон распределения энергии в спектре в зависимости от температуры.
Закон известен, и над солнечным спектром долго ломать голову не пришлось. Оказалось, на его родине – на поверхности Солнца – температура +6000 градусов Цельсия.
Вы спросите: а причем здесь герои книжки – полупроводники?
Вопрос резонный.
Оказывается, удобнее и точнее всего оценивать энергию разных частей спектра специальным полупроводниковым термистором.
{36}
ЧУДЕСНЫЙ БОЛОМЕТР
Миниатюрное термосопротивление, выполненное в виде тонкой пластинки, выкрасили в глубокий черный цвет. Потом термистор заключили в стеклянный баллончик и удалили оттуда воздух, чтобы прибору не мешала внешняя среда. Получился так называемый болометр. Вся падающая на пластинку лучистая энергия поглощается черным красителем. При этом она превращается в тепло и нагревает термистор.
Материал для термистора подобран с таким расчетом, чтобы самые небольшие перемены температуры заметно меняли его электропроводность. Это дает возможность измерять полупроводниковым болометром ничтожные дозы лучистой энергии. Им можно, в частности, регистрировать количество лучистой энергии в разных частях спектра.
Откройте заслонку печи и выпустите оттуда луч. Исследовав его спектр болометром, вы сможете определить, в каком месте сосредоточено там больше всего энергии. А по этим данным вы узнаете температуру с точностью, в которую трудно поверить, – до стотысячных долей градуса!
Конечно, установка прибора, расчеты – довольно кропотливое занятие. Но все эти действия поддаются механизации.
Теперь поставим другую задачу: измерить на расстоянии температуру темного, несветящегося нагретого предмета.
Неужели и это возможно?
На проволочной подставке – чугунный утюг. Горячий он или холодный? По виду не отличишь. Значит, надо прикоснуться? Необязательно. Поднесите поближе ладонь, и вы почувствуете, как из металла струится тепло. Может быть, нагретый воздух омывает руку? Нет, воздух здесь пи при чем. Повторив опыт в пустоте, вы тоже ощутите {37} тепло. Оказывается, это та же лучистая энергия, испускаемая любым нагретым телом. Только здесь лучи невидимые. Их называют в физике инфракрасными. Они, как и световые, способны преломляться в призмах, образуя полоски спектра (уже невидимого). И спектр этот для разных температур также различен. Полупроводниковым болометром инфракрасный спектр удается исследовать не хуже, чем видимый. Значит, температуру утюга можно определить на расстоянии.
Инфракрасные лучи струятся и из просто теплых предметов. Их источником, в частности, служит наша кожа. Выходит, температура тела человека тоже доступна измерению на расстоянии? Нет. Пока это не удается – возникает масса технических трудностей. Но никто не сказал, что путь закрыт. Быть может, недалеко время, когда появится медицинский дистанционный полупроводниковый электротермометр. Не тревожа больного, врач будет на расстоянии узнавать его температуру.
Полупроводниковый болометр необычайно чувствителен. Это особенно ясно видно на примерах простой регистрации тепловых лучей (без измерения температуры). Поместив такой прибор в фокусе вогнутого параболического зеркала, вы сможете уловить издалека малейшее ненормальное нагревание в работающей машине. Прибор без труда зарегистрирует тепло пролетающей птицы; на расстоянии в несколько километров он обнаружит горящую папиросу.
Был сделан такой опыт. Невидимый инфракрасный луч послали с Земли к Луне. Отразившись от лунной поверхности, он вернулся и был уловлен полупроводниковым болометром.
Мы убедились, насколько широк диапазон применения термосопротивлений – уловителей тепла и измерителей температуры: от медицины до металлургии, от глубоких земных недр до поднебесья, даже до самой Луны.
Но только ли термометрами могут быть термисторы?
{38}
СИЛА ДУНОВЕНИЯ
Дуновением мы гасим свечу. Оказывается, тем же способом можно и включить свет.
В Московском Политехническом музее демонстрируется любопытный автомат-игрушка. Перед вами крошечный термистор. Стоит слегка дунуть на него – и сбоку загорается лампочка.
Загорается и вскоре гаснет. Что произошло?
От дуновения чуть-чуть изменилась температура и, следовательно, электропроводность полупроводника. Ток, текущий через прибор, увеличился и включил реле, зажигающее лампочку. Таково простейшее автоматическое реле на термисторе.
А вот более важное применение этого принципа автоматики.
По магистральному трубопроводу движется к городу горючий газ. Чтобы он поступал в наши квартиры без помех и задержек, нужно постоянно следить за газовым потоком в трубе и регулировать его. Надо знать, в частности, скорость невидимой струи.
Легче, проще и точнее всего такое измерение вести термисторами.
Установленные в трубе, они все время слегка подогреваются небольшим током, но в то же время остывают, отдавая тепло газу.
И чем быстрее движение газовой струи, тем сильнее охлаждается термистор – тепло как бы сдувается с прибора. Он «зябнет» и отзывается на это уменьшением силы тока.
Так можно измерить скорость газовых струй, чтобы затем автоматически управлять их движением.
Применяя системы из нескольких термосопротивлений, удается определить даже направление потоков газа. Невидимые вихри раскрывают свою сложную структуру, словно становятся зримыми.
{39}
