Текст книги "Что такое полупроводник"
Автор книги: Глеб Анфилов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 8 страниц)
ЗРЯЧИЕ ПРИБОРЫ
{77}
ЧУДЕСНОЕ ЗЕРКАЛЬЦЕ
На маленький стальной кружок нанесли слой селена. Толщина его такая же, как у лезвия безопасной бритвы. Поверхность селена покрыли тончайшей и потому почти совершенно прозрачной пленочкой золота. От стали и золота сделали наружу металлические выводы. Сверху защитили прибор прозрачным лаком и заключили в пластмассовый корпус с широким круглым окном. Получилось нечто похожее на миниатюрное зеркальце, только тусклое. Это вентильный фотоэлемент – новый светочувствительный полупроводниковый прибор. Он имеет характерную особенность. Если фотосопротивление под действием света увеличивает ток, который поступает извне, скажем, из батарейки, то вентильный фотоэлемент не нуждается ни в какой подмоге. Осветите его – и он сам без всякой батарейки создаст электроэнергию, способную отклонить стрелку гальванометра.
В чем здесь дело?
Оказывается, слой полупроводника сделан здесь как бы двойным. Для изготовления прибора исходным {79} материалом послужил селен с дырочной электропроводностью. Именно он составляет нижнюю часть слоя. Но сверху в полупроводник перекочевали атомы из пленки золота. И эта добавка превратила дырочный селен в электронный. В приборе слились воедино два разнородных полупроводниковых слоя. Какую это играет роль?
ЭЛЕКТРОНЫ-«ПОГРАНИЧНИКИ»
Попытаемся выяснить, что происходит на месте соприкосновения электронного и дырочного полупроводников.
Допустим, что мы просто наложили пластинку электронного селена на пластинку дырочного селена. Как только пластинки соединились, электроны, которыми обильно насыщен электронный селен, начали перекочевывать в пограничную область пластинки дырочного селена. Но большое их количество перейти границу не смогло. Почему? Потому, что первые пришлые электроны, скопившись в дырочной пластинке, словно встали на стражу. Своим отрицательным зарядом они отталкивают назад все другие электроны, которые стремятся проникнуть в дырочную область. Одновременно из дырочной области перекочевывают дырки-«пограничники». Они тоже встают на стражу границы, только с другой стороны, и не пропускают через нее дырки из дырочной области. Так на границе образуется запирающий слой.
Такой слой отделяет электронный селен от дырочного и в нашем чудесном зеркальце – вентильном фотоэлементе.
Направим на фотоэлемент луч света. В электронной области полупроводника световой обстрел освобождает новые электроны. Они мечутся, сталкиваются и, не умещаясь в тоненькой области электронного селена, уходят в пленку золота. Иного пути ведь у них нет – в дырочную область дорога преграждена запирающим слоем.
{80}
Возникновение запирающего слоя на границе электронного и дырочного полупроводников.
В результате в золотой пленке накапливается избыток электронов, то есть отрицательный электрический заряд.
Во время светового обстрела в электронной области полупроводника возникает также некоторое количество неосновных носителей тока – дырок (всюду, где электроны покидают собственно полупроводниковый атом). А для дырок пограничный слой совсем не преграда. Ведь они ведут себя как положительно заряженные частицы. Положительный заряд – словно пропуск для прохода через границу. Электроны-«пограничники» свободно пропускают дырки через запирающий слой в дырочную область селена. Там образуется избыток положительного заряда, который накапливается на стальном кружке.
Итак, на золотой пленке – отрицательный полюс, на стальной подкладке – положительный. Соединим их проволочкой через гальванометр. Пока полупроводник освещен, течет ток и стрелка прибора отклоняется. Таков принцип работы вентильных фотоэлементов.
{81}
АВТОМАТ-ЛАБОРАНТ
Каждому приходилось сдавать кровь на медицинское исследование. Но все ли знают, как много лабораторного труда уходит на такие анализы!
Кровяные тельца – эритроциты – лаборант пересчитывает под микроскопом.
В нескольких квадратиках нужно точно подсчитать количество телец (а в каждом их бывает 60—70), сложить, затем помножить на определенное число. Нелегко это. Зрение напрягается, глаза очень скоро устают. И как ни старайся, все-таки подчас получается довольно большая ошибка: в ста тысячах телец иной раз не досчитывают десяти тысяч!
Теперь для таких анализов создан зрячий прибор-автомат – эритрогемометр.Вместо человеческих глаз в приборе работает вентильный селеновый фотоэлемент.
Видом и размером аппарат напоминает футляр портативной пишущей машинки. Внутри – лампочка, кассеты для стеклянных кюветов с кровью, светофильтры и фотоэлемент, а снаружи – гальванометр.
Кровь, разбавленную особым раствором, наливают в кювет. Его вкладывают в аппарат. Свет лампочки, пройдя через инфракрасный светофильтр, пронизывает кровь и попадает на фотоэлемент.
Эритрогемометр.
Чем больше в крови кровяных телец, тем меньше попадает на селеновый слой инфракрасных лучей. Стрелка прибора останавливается на цифре, соответствующей числу эритроцитов в поле зрения микроскопа. Эритрогемометр выполняет и другую лабораторную работу – определяет содержание в {82} крови красного вещества – гемоглобина. Точность анализов получается значительно выше, времени на них уходит в несколько раз меньше. Утомительный для глаз человеческий труд уже не нужен.
ПОМОЩНИК ХИРУРГА
В светлом операционном зале больницы идет обычная работа. Хирург поглощен сложной операцией. Вокруг – ассистенты, медицинские сестры. Каждый молча и сосредоточенно делает свое ответственное дело. В напряженной тишине слышатся спокойные команды: «скальпель», «пинцет», «ножницы», «проверьте кислород»...
«Проверьте кислород» – что это значит?
Это команда ассистенту: узнайте, достаточно ли кислорода в крови больного. Усыпленный наркозом, больной дышит редко, еле заметно поднимается его грудь. Случается, что легкие не могут вполне насытить животворным воздухом кровь. Тогда нужно искусственно вдохнуть в человека целительный кислород.
Как же определить его содержание в крови?
Обычно практикуют химические анализы. Но это долгий и трудоемкий способ. Постоянно следить за кровью невозможно.
Давно уже хирурги мечтали о приборе, который мог бы непрерывно контролировать количество кислорода в крови. И теперь такой аппарат – оксигемограф– к их услугам.
На мочку уха больного или, лучше, на тонкую часть ушной раковины надевают нечто похожее на серьгу «клипс». Это датчик аппарата – его чувствительный элемент. С одной стороны «серьги» вмонтирована лампочка со светофильтром, а с другой – миниатюрный селеновый вентильный фотоэлемент. Между ними – живая ткань, заполненная кровеносными сосудами. Фотоэлемент словно {83} видит ее на просвет. Когда кровь богата кислородом, ока светлая, и на селен проходит от лампочки много световых лучей. Поэтому и электрический ток в нем возникает сравнительно большой. Но как только кислорода становится меньше, кровь темнеет и ток, рожденный фотоэлементом, слабеет. Эти электрические колебания усиливаются и приводят в действие перо самописца, скользящее по разлинованной бумаге. При необходимости подача кислорода автоматически увеличивается. Хирург может спокойно вести операцию.
Вентильные фотоэлементы делают не только из селена. Мы уже знаем, что если бросить в печь медную проволочку, то на ней возникнет слой закиси меди. Закись меди и послужила материалом для первого в истории техники вентильного фотоэлемента. Делают такие приборы и из сернистого серебра. Оно особенно хорошо чувствует невидимые инфракрасные лучи. Есть еще вентильные фотоэлементы из сернистого таллия. Эти славятся необычайной быстротой действия. Ими удается заменять хрупкие вакуумные фотоэлементы в кинопроекторах (для воспроизведения звука).
СПИЧКА, ЗАЖЖЕННАЯ НА ЛУНЕ
В главе «На смену термометру» шла речь о полупроводниковых болометрах – чувствительных приемниках лучистой энергии. Поистине сказочной чуткостью обладают такие приборы, если вместо термистора там использовать особый вентильный фотоэлемент – фотодиод.
Изобретатель прибора – американец Дж. Сайв применил в качестве материала кристаллический полупроводниковый элемент германий. Специальной обработкой в нем создаются электронная и дырочная области, между которыми возникает запирающий слой. Включают фотодиод как фотосопротивление: последовательно с электрической {84} батарейкой невысокого напряжения. Батарейка включена так, чтобы создаваемое ею электрическое поле было направлено в сторону электрического поля запирающего слоя (направление поля принято от положительного полюса к отрицательному). Пограничная стража электронов как бы усиливается этим полем, и поэтому в темноте ток через прибор почти совсем не течет. Но вот на полупроводник падает луч света. Попав в область электронного германия, фотоны освобождают электроны и дырки. В обычном вентильном фотоэлементе дырки случайно, не спеша, переходят через запирающий слой. А здесь они подхватываются электрическим полем батарейки и перебегают границу дружно, все вместе, что создает заметный толчок тока в цепи прибора. Особенно резко реагирует прибор на инфракрасные лучи.
Еще более совершенен светочувствительный полупроводниковый прибор, получивший название фототриодаили фототранзистора.Он не только улавливает световую энергию, отзываясь на освещение толчком тока, но и тут же усиливает этот электрический сигнал. Фототриод – своеобразный кристаллический умножитель электронов. Он как бы совмещает в себе фотодиод и полупроводниковый усилитель (о таких усилителях вы прочтете ниже – в последней главе).
Приведем примеры, характеризующие чувствительность фотодиодов и фототриодов. Самолет в ночной тьме обнаруживается ими лучше, чем радиолокатором. С их помощью можно составить карту теплового излучения загадочного Марса. Когда первый смельчак высадится на Луне, он сможет дать сигнал на Землю, просто чиркнув спичкой. Прибор уловит энергию вспышки за 380 тысяч километров.
Журнал «В защиту мира» писал о фототранзисторах: «Как и всегда, это замечательное открытие можно использовать как в созидательных, так и в разрушительных целях. Ракета, снабженная фототранзисторами, полетит {85} к городу, притягиваемая теплом, которое он излучает и которое невозможно замаскировать.
Ракета будет преследовать корабли, самолеты, все живое.
Американский генерал Арнольд рассказывал о том, что он чувствовал, когда его оставили в комнате наедине с одной из таких ракет – так называемой ракетой с «ищущей головкой». Ракета поворачивалась за ним на своем цоколе: ее привлекали инфракрасные лучи, создаваемые теплотой его тела. «Будем надеяться, – писал генерал Арнольд, – что эти чудовища никогда не выйдут из своих клеток».
Нельзя не согласиться с этими словами. Добавим только: еще лучше было бы не порождать смертоносных чудовищ, пользуясь великими победами человеческого знания.
ЛУЧ ВМЕСТО ПРОВОДА
Из самого принципа действия фотодиода и фототранзистора нетрудно понять, что подобные приборы работают быстро, мгновенно реагируют на перемены освещенности. Не говоря уже о воспроизведении звука в кино, это открывает множество других заманчивых возможностей их применения.
Уже давно самым простым и удобным в полевых условиях средством связи на недалекие расстояния {86} считался световой телеграф. Абоненты переговаривались, посылая друг другу световые сигналы. Длинный сигнал – тире, короткий сигнал – точка. Связь вели по азбуке Морзе.
Но, оказывается, на световом луче удается разговаривать не условными сигналами, а прямо голосом; даже музыку можно передавать, если потребуется.
Световой телефон несложен. Вы говорите в микрофон, там звук преобразуется в пульсации электрического тока. Пульсирующий ток поступает в электромагнит, где заставляет быстро двигаться маленькую стальную пластинку, поставленную поперек узкого светового луча. Пластинка рассекает луч в такт с импульсами микрофона. Этим «оперированным» лучом и передается разговор. Фотоэлемент приемника (в первых опытах обычное селеновое фотосопротивление) улавливает световые вспышки и, переделав их в электрические колебания, подает в телефонные наушники. Еще удобнее вести связь на невидимом инфракрасном луче. Он проходит сквозь дымку, туман.
«Лучевой», беспроволочный, телефон изобретен еще до появления радиосвязи. А теперь он весьма усовершенствован и оснащен полупроводниковыми приборами.
Кристаллы германия отличаются удивительной особенностью: они прозрачны для инфракрасного излучения. Через германиевую пластинку невидимый луч проходит почти не задерживаясь – как обычный свет сквозь стекло.
Теперь представьте себе такой опыт.
Германиевый фотодиод подключили к электрическому генератору и одновременно стали проверять его прозрачность для инфракрасных лучей. И тут открылось интересное явление: при переменах электрического напряжения инфракрасная прозрачность кристалла в том месте, где проходит запирающий слой, менялась. В зависимости от электрических импульсов диод то задерживал невидимый луч, то ослаблял его, то свободно пропускал. Это явление объясняется знакомыми уже нам пульсациями запирающего {87} слоя. Оно-то и положено в основу нового телефона.
На пути постоянного инфракрасного луча от лампочки ставят диод. К нему подводят усиленный микрофонный ток. Когда абонент говорит в микрофон, звуки его голоса преобразуются в колебания инфракрасной прозрачности кристалла. В результате невидимый луч, проходящий через диод вдаль, к абоненту, меняет свою силу точно в такт с колебаниями микрофонного тока.
Фототриод приемника издалека видит «подмигивания» передающего диода и превращает их в электрические сигналы, которые после усиления становятся снова звуком.
Отличительная черта такой передачи – острая направленность. Подслушать ее невозможно. Ведь чтобы перехватить разговор, надо прервать световой луч, но тогда и абоненты перестанут слышать друг друга.
Итак, человек делает «зрячими» приборы, ставит их на стражу своего здоровья, труда, поручает им работу, от которой прежде портилось зрение, даже заменяет ими свои глаза и уши. А некоторые фотоэлементы обладают замечательными свойствами, которых нет и у нашего глаза.
{88}
ПОЙМАННЫЕ ЛУЧИ
{89}
РАННИМ УТРОМ
Вы просыпаетесь весенним утром. Но не птичье пение вас разбудило. Виновник – маленький братишка. Он сидит в своей постели, размахивает руками и что-то недовольно лепечет. Вы чувствуете: он вот-вот расплачется. В чем же дело? Кто обидел малыша?
Веселый солнечный лучик!
Наивный малыш пытается схватить его в руку, но золотистая стрелка всякий раз ускользает из пальцев. Разве не досадно?!
Утешая братишку, вы могли бы сказать ему, что и сами в его возрасте безрезультатно занимались тем же. Пожалуй, все наши читатели испробовали это в раннем детстве. И всегда упрямый лучик ускользал – не ухватишь его, как ни старайся!
А ведь затея малыша совсем не пустая.
Лучистая энергия в неимоверно огромных количествах льется на землю. За двое суток солнце посылает нам столько тепла и света, сколько способны дать при сжигании все земные запасы угля, нефти, газа, сланцев, {91} торфа. Но мы еще почти не умеем использовать энергию солнца. Ведь подавляющая доля его лучей ускользает: отразившись от поверхности земли, уходит от нас и теряется в пустоте мировых глубин.
Неужели так и не сбудется детская мечта? Неужели человеку никогда не удастся поймать солнечный свет, удержать его, заставить работать?
Уже удалось! И помогли в этом те же полупроводники.
СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ
Представьте себе щит величиной с крышку небольшого обеденного столика. На щите рядами уложены маленькие темные пластинки. Размером и формой они напоминают железнодорожные билеты. Пластинки выполнены из широко распространенного полупроводника – кремния. Вот, как их делали.
Солнечная батарея.
Сначала кремний тщательнейшим образом очистили от примесей, потом из расплава получили крупные кристаллы и разрезали их на тонкие прямоугольные пластинки. На одной из поверхностей каждой пластинки специальной обработкой создали тончайший (в сто раз тоньше человеческого волоса) слой бора. Обработку вели с таким расчетом, чтобы атомы бора неглубоко проникли и в толщу полупроводника. Сверху и снизу покрыли пластинки металлическими пленками, от них сделали выводы наружу, заключили пластинки в пластмассовые оправки и, {92} смонтировав на щите, соединили проводами. Что же получилось? Батарея вентильных фотоэлементов.
Наверху (там, где есть примесь бора) кремний имеет дырочную проводимость, ниже – электронную. Между дырочной и электронной областями обязательно возникает запирающий слой.
Мы выносим батарею на яркий солнечный свет и ставим ее так, чтобы лучи падали отвесно. Как и следовало ожидать, она сразу же дает электрический ток. Но какой! 120 ватт электроэнергии с квадратного метра освещенной поверхности. Это немалая мощность. Ее достаточно для питания трех электродвигателей швейных машин.
Чтобы получить такую мощность, скажем, от бензинового моторчика, пришлось бы сжигать каждые три часа стакан горючего. На паросиловой установке за то же время сгорело бы полкилограмма каменного угля, А здесь энергия извлечена из неуловимого и невесомого – из солнечного света.
К СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
Солнечная батарея, о которой вы читали, до 11 процентов энергии падающих на нее световых лучей преобразует в электрическую. Но это не предел. Есть основание полагать, что те же кремниевые фотоэлементы способны превращать в электроэнергию 22 процента световой энергии!
Имеются сообщения о вентильном фотоэлементе из другого полупроводника – сульфида кадмия – с коэффициентом полезного действия 18 процентов. По подсчетам изобретателей, пластина такого фотоэлемента шириной 1,2 метра, длиной 4,5 метра и толщиной в вафлю, уложенная на крыше небольшого дома, снабдит обитателей здания энергией на все бытовые нужды: освещение, отопление, электроплиты, пылесосы, холодильники, радио, телевидение. Днем чудесная полупроводниковая {93} крыша-электростанция будет набирать энергию, посылая ток в электросеть здания и в электрические копилки – аккумуляторы, которые послужат источником электроэнергии в темное время суток.
Сейчас ведутся исследования ряда полупроводников, способных преобразовывать в электроэнергию большую долю света, чем кремний. Таково, например, соединение сурьмы с алюминием. Ученые ожидают высокого коэффициента полезного действия и от солнечных батарей, созданных на основе соединения сурьмы с индием. Они будут особенно выгодны для освоения инфракрасного излучения солнца, которое, как известно, составляет примерно половину всей лучистой энергии светила.
Теоретически возможно создание вентильных фотоэлементов с коэффициентом полезного действия 40—50 процентов.
Каким целям будет служить световая энергетика будущего?
Вероятнее всего, на первых порах это будет энергетика малых форм. Солнечные батареи появятся в колхозах и МТС, геологи и туристы станут брать их в экспедиции, моряки оборудуют ими свои суда.
Вот мечта одного из героев научно-фантастической повести В. Немцова «Осколок солнца».
«Представьте себе, Лидия Николаевна, – рассказывал он, прикалывая к чертежной доске бумажный лист и рисуя на нем толстым синим карандашом. – Это вот вагончик трактористов. Видали, наверное, такие? Трактористы привезли с собой большой рулон специально обработанной ткани или пленки, на которой напечатаны – да, да, напечатаны! – фотоэнергетические ячейки со всеми необходимыми соединениями. Рулон этот разматывается прямо на земле, и – пожалуйста! – походная электростанция готова к работе. Она заряжает аккумуляторы, питает радиостанцию, электроприборы, все, что хотите. Такую пленку можно расстелить возле избушки лесника, бакенщика, высокогорной обсерватории, у зимовщиков Арктики, где угодно. Из этой ткани можно шить палатки. Вот она, свернутая, за плечами альпиниста... Поймите, что это значит, когда мы получим миллионы метров фотоэнергетической ткани! В магазинах ее будут резать ножницами, как простую клеенку. Заплатили за десять метров – и у вас уже собственная электростанция, без всяких бензиновых движков и генераторов. Разве это не чудо?»
{94}
ЛУЧ ЗА РАБОТОЙ
Солнечный луч можно заставить подавать воду для орошения. Чем беспощаднее будет жечь солнце, иссушая почву и посевы, тем энергичнее станут работать электронасосы, {95} соединенные со щитами солнечных батарей. Солнце и согреет землю и снабдит, ее животворной влагой. Ведь вода есть почти везде, нужно только поднять ее, направить на поля.
От солнечных батарей будут действовать электродвигатели кранов, лебедок, подъемников. На строительные площадки не потребуется тянуть линии электропередач.
Недавно в Швейцарии и других странах начали делать настольные часы, которые заводятся светом. Пробыв несколько часов на свету (даже слабом, комнатном), часы идут много суток, не требуя завода. Заводной механизм приводится в движение электродвигателем, который черпает энергию от аккумуляторов, связанных с чутким вентильным фотоэлементом.
В 1955 году американские инженеры сделали попытку использовать солнечную энергию для движения модели своеобразного электрического автомобиля. На крышу экипажа, которому конструкторы дали название «солнце-мобиля», уложили двенадцать вентильных фотоэлементов. Они заряжали энергией аккумуляторы. А оттуда электрический ток шел на питание электродвигателя. Опыт удался. Модель поехала без всякого горючего, только потому, что на нее светило солнце!
Может показаться, что этот любопытный экипаж, который смахивает на пресловутый «вечный двигатель», не более, как технический курьез, игрушка. И верно, он слабосилен – даже в самое солнечное время мощность, собираемая им «с неба», раз в тридцать меньше мощности «Москвича». Поэтому даже в будущем, когда вентильные фотоэлементы достигнут высокого совершенства, солнце-мобили едва ли найдут сколько-нибудь значительное применение как полноценное транспортное средство. С обычными автомобилями они конкурировать не смогут. Однако солнечная батарея станет отлично служить аварийным источником энергии. Если в автомашине израсходуется бензин, до заправочной колонки она «дотянет на солнечных {96} лучах», улавливаемых щитом вентильных фотоэлементов, уложенным на крыше автомобиля.
В колхозах, на заводах, на вокзалах солнечные повозки удобно будет применять для перевозки небольших грузов. Ведь две – три лошадиные силы – это в конце концов не так уж мало. К тому же во время простоев энергия может накапливаться в аккумуляторах. Солнце-мобиль будет набирать запас мощности и во время стоянок. Эта чудесная «электрическая лошадь» будущего станет весь день «питаться светом»!
Подсчет показывает, что энергии, создаваемой солнечными батареями, хватит для того, чтобы привести в движение речную самоходную баржу – ее крыша имеет вполне достаточную площадь, освещаемую солнцем.
Еще одно увлекательное применение солнечных фотоэлементов – на грядущих межпланетных кораблях. Ведь свет – источник энергии, который не нужно брать в космический полет с Земли. Корабль будет лететь перед незаходящим солнцем, в мощном световом потоке. И если оснастить ракету фотоэлементами с коэффициентом {97} полезного действия всего в 10 процентов, то с 10 квадратных метров их освещенной поверхности приборы за трехмесячное путешествие соберут столько энергии, сколько могла бы дать тонна горючего, взятого с Земли. А для того чтобы разогнать эту тонну до космической скорости при старте корабля, на нем пришлось бы сжечь еще несколько десятков тонн горючего.
Вездесущий солнечный свет, пойманный полупроводниками, уменьшит вес ракетных кораблей.
А как бы было заманчиво покрыть щитами солнечных батарей хотя бы часть пустынь, выжженных степей и других земель, негодных для сельского хозяйства! Ведь 3—4 квадратных километра южной пустыни, покрытые щитами фотоэлементов, могли бы дать почти столько же энергии, сколько вырабатывает в среднем знаменитая Куйбышевская ГЭС! А в пустыне не только свет ждет превращения в электрический ток. Термобатареи и инфракрасные фотоэлементы, установленные под световыми фотоэлементами, преобразовали бы в электроэнергию и значительную долю солнечного тепла.
{98}
Быть может, через несколько лет, когда успехи учения о полупроводниках воплотятся в индустриальные сооружения, когда солнечные батареи удастся сделать простыми и дешевыми, – щитами фотоэлементов, блоками термогенераторов люди оденут горные склоны, крыши и стены домов, заводов. По бесплодным пустыням протянутся от горизонта к горизонту ряды ловушек света и тепла. Солнечными лучами, преображенными в электрический ток, человек будет поднимать воду, тянуть электропоезда, двигать машины на заводах.
