Текст книги "Что такое полупроводник"
Автор книги: Глеб Анфилов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)
ЛУЧ И ЛИСТ
Любое топливо – детище растительного мира либо современного, либо давно умершего, жившего десятки и сотни миллионов лет назад.
А из чего сделано растение?
Из земли, воды и воздуха.
В самом деле, ведь только этими материалами располагает природа, создавая свои зеленые творения!
Но мало иметь материалы для какого-нибудь изделия. Чтобы построить дом, недостаточно привезти на строительную площадку кирпич, цемент, железо, – надо еще поработать, чтобы задуманное стало явью. А поработать – это значит затратить какую-то энергию. На строительной площадке лопасти бетономешалок, стрелы кранов, лебедки подъемников движет электричество. А растение? Откуда оно черпает энергию? Какая сила вызывает в нем соединение атомов и молекул?
Эту энергию растение получает, поглощая зелеными листьями солнечный свет. Нет света – растение гибнет. В клеточках живого листа свет вызывает важнейший процесс – фотосинтез, источник всей жизни на Земле.
Световая энергия, поглощенная живым зеленым листом, словно консервируется в растении. И каждое органическое вещество в какой угодно форме – будь то яблоко {99} или пшеничное зернышко, штабель дров или копна сена, глыба угля или торфяной брикет – мы вправе назвать концентратами лучистой солнечной энергии.
Горит уголь – освобождается солнечная энергия, поглощенная некогда древними папоротниками.
Но растение усваивает и накапливает лишь крошечную долю света – меньше 1 процента. Потому-то так много времени нужно, чтобы вырастить леса. Поэтому так скудны запасы ископаемого топлива на Земле.
НОВЫЕ ДАРЫ СОЛНЦА
А нельзя ли обойтись без растений, создавая органическое сырье? Нельзя ли, минуя растения, прямо из воздуха, воды и минеральных веществ вырабатывать топливо, пластмассы, сахар?
Писатель А. Куприн в рассказе «Жидкое солнце» фантазировал о том, как «из простых элементов, входящих в воздух, составлять вкусное, питательное и съедобное, почти бесплатное вещество».
Давно уже волнует и ученых такая проблема – воспроизвести искусственно процесс, подобный фотосинтезу, но более эффективный, и в итоге получать органическое сырье в десятки, в сотни раз быстрее, чем оно накапливается в природе в процессе естественного фотосинтеза.
Конечно, этот смелый замысел не сразу будет воплощен в жизнь. Сначала предстоит во всех тонкостях раскрыть взаимодействие света с органическими соединениями. И вот что важно здесь для исследователя: многие из таких соединений – полупроводники, и световой луч вызывает в них электронные процессы.
Работа в этом направлении ведется, и уже есть первые результаты. Ленинградский ученый – академик А. Н. Теренин на одной из научных конференций по полупроводникам {100} рассказал об итогах исследований в области фотоэлектроники органических красителей. Например, освещая твердые пленки красителей или окрашенные порошкообразные полупроводники, удалось вызвать превращения световой энергии, похожие на процессы, происходящие в вентильных полупроводниковых фотоэлементах. Эти фотоэлектрические явления представляют собой не что иное, как искусственное осуществление первого этапа фотосинтеза вне живого листа.
Конечно, здесь еще больше нерешенного, загадочного. Осуществить второй этап фотосинтеза, то есть направить электроэнергию, рожденную в веществе светом, на создание новых соединений, пока не удалось. Но перед пытливым взором ученого-творца, не боящегося смелой мечты, раскрывается уже картина будущего.
Мы не знаем еще, какой облик получат установки для «консервирования» солнечных лучей. Но призовем на помощь фантазию.
Под потоками солнца протянулся мелкий, но широкий канал. По нему медленно течет черная жидкость. Это вода, смешанная с неведомыми пока добавками – катализаторами, красителями. Жидкость почти полностью поглощает солнечный свет и приобретает способность словно вбирать в себя из воздуха углерод, а возможно, и азот. В конце канала жидкость заметно густеет, превращаясь в тяжелую, желеобразную массу искусственного органического вещества. Ее тут же режут на куски, выгружают из канала и отправляют на химический завод для переработки.
Быть может, человек станет так создавать тысячи и миллионы тонн нового, извлеченного из воздуха топлива, получать обилие небывало ценного сырья для промышленности.
Чуть ли не стопроцентное освоение богатств лучистой энергии солнца – вот к чему стремится наша наука!
{101}
СВЕТ «ПРО ЗАПАС»
Итак, вентильные фотоэлементы исполнили мечту нашего детства. Они «поймали» свет, тут же превратили его в электроэнергию и пустили в работу. Слов нет, это замечательно. Однако не только об этом можно мечтать, если дать волю фантазии.
Дон-Кихот, обращаясь к воображаемой поклоннице, обещал подарить ей «солнечные– лучи, в стеклянный сосуд уловленные». Пустое хвастовство? А между тем, как это было бы удобно: днем поймать солнечные лучи, спрятать их в какую-нибудь банку, а вечером выплеснуть их наружу – пусть освещают улицу! Что ж, оказывается, и эта фантастика с приходом полупроводников стала возможным делом.
Есть среди полупроводниковых материалов такие, в которых атомы способны днем поглощать световую энергию, а ночью излучать ее. Поглощая фотоны, атомы таких веществ, как говорят физики, возбуждаются – накапливают в себе избыток энергии. А спустя некоторое время они освобождаются от излишка, в свою очередь выбрасывая фотоны.
Подобные вещества известны и применяются давно. Большим успехом пользуются, например, елочные украшения, которые в темноте сияют светом, набранным «про запас».
Однако есть у таких веществ один недостаток. Если уж они побыли днем на свету, ночью {102} обязательно будут светить – хотим мы этого или не хотим. А что, если заставлять их отдавать запасенный свет по команде? Оказывается, этого можно добиться.
Атомы некоторых полупроводников способны хранить в себе накопленную на свету энергию до тех пор, пока мы не воздействуем на них слабым электрическим сигналом.
Поясним это на простой аналогии. Представьте, что у вас в руках игрушечное ружье с пружиной. Чтобы зарядить ружье, вы сжимаете пружину, а перед выстрелом – отпускаете ее, чуть тронув спусковой крючок. Так вот: атомы, о которых мы говорили, как бы заряжаются под воздействием света. А когда мы слегка тронем их электрическим полем, они разряжаются и словно стреляют светом.
Возможно, в наших городах вскоре появятся чудесные светильники. Днем они будут собирать световую энергию, а вечером и ночью по слабой электрической команде сиять за счет накопленного света.
Сообщалось, что в Чехословакии разрабатываются светильники в виде щитов, на которых под электрическим воздействием сверятся порошки из особых полупроводниковых материалов. Белого света пока получить не удалось, но исследователи уверены в перспективности работы.
Комнаты со светящимися обоями, с потолками, излучающими мягкое сияние, – быть может, через несколько лет это станет столь же обычным, как в наши дни лампочка накаливания.
Есть еще много других интересных оптических свойств полупроводников. Они способны, например, превращать невидимые ультрафиолетовые лучи в видимые. На этом основаны знакомые каждому люминесцентные лампы – те самые, что заливают мягким светом станции метро, художественные выставки, залы магазинов, цехи заводов. Некоторые полупроводники отзываются световыми вспышками на обстрел мельчайшими частицами радиоактивных излучений. Это свойство используется при создании особых {103} счетчиков ядерных частиц. На экранах телевизоров тоже светится полупроводниковый люминофор. Его «зажигают» удары электронов.
Не так давно физики научились делать «вечные» светящиеся указатели. Их не нужно включать в электросеть, присоединять к батарее. Они светят сами – без всяких посторонних источников энергии. В таком указателе слой полупроводникового люминофора светится под воздействием быстро летящих электронов, которые выбрасываются ядрами атомов радиоактивного изотопа стронция. Срок службы указателей – более двадцати лет.
Если поставить подобные светильники, скажем, на речных бакенах, то бакенщику не придется каждый день зажигать фонари. Он будет менять их всего два – три раза в жизни.
{104}
ЭЛЕКТРОНИКА В КРИСТАЛЛАХ
{105}
НЕУДАЧЛИВЫЙ ПОКУПАТЕЛЬ
Директор одного радиомагазина – ветеран торговли радиоприемниками – рассказывал:
– Вот уж лет тридцать регулярно ходит к ' нам странный старичок-покупатель. Думаете, много он за это время накупил? Ничего! И деньги, видно, припас, и желание есть, да вот беда: слишком быстро бежит вперед техника. Сперва он, помнится, хотел приобрести детекторный приемник. Но, поговорив с продавцом, узнал, что скоро поступят в продажу ламповые, и решил подождать. Появились первые ламповые приемники. Снова пришел этот покупатель, но не купил ничего: узнал о другой ожидающейся новинке – многоламповых супергетеродинах. Потом и супергетеродины стали не в редкость. Но чудак-покупатель опять уходил ни с чем из магазина. Он до сих пор ждет нового. И ведь не зря ждет! Каждый год аппаратура становится совершеннее, экономичнее, надежнее. Только никогда не дождется этот наивный человек самого лучшего приемника – такого, чтобы не устарел за год-другой.
Гениальное создание Александра Степановича Попова – радио – за последние десятилетия получило {107} невиданное развитие. Но еще больший, сейчас даже трудно постижимый прогресс ожидает его в будущем. Этот прогресс – детище золотых рук и светлого ума людей, которые не ждут пассивно нового, а сами творят его. И замечательными помощниками человека здесь тоже оказываются полупроводниковые материалы.
ПЕРВЫЙ ШАГ
Детекторный радиоприемник.
Обычный детектор.
С чего начинает юный радиолюбитель? С детекторного приемника. Предельно прост этот удивительный аппарат. Проволочная катушка, невзрачный камешек детектора, наушники. Вот и вся премудрость. А какая сказочная сила воплощена в соединении нехитрых деталей! Расспросите людей старшего поколения, которые своими руками делали первые детекторные приемники. Они скажут: пожалуй, в наши дни новенький телевизор вызывает меньше радости, чем те деревянные ящички.
Вот собранный приемник торжественно водружен на столе. Его создатель залезает на крышу и протягивает длинную, метров в тридцать – сорок, антенну. Идущий от нее провод он подключает к приемнику {108} и некоторое время возится с детектором. Упираясь концом упругой пружинки в серебристый кристаллик, помещенный в стеклянной трубочке, надо нащупать на нем чувствительную точку. И как только это удается, совершается долгожданное «волшебство»: в наушниках звучит музыка или речь.
Кристаллик детектора – это, пожалуй, самый первый полупроводник, нашедший широкое практическое применение. Зачем он нужен?
Радиоволны возбуждают в антенне электрическое поле, быстро меняющее направление. Электрическое поле приводит в движение электроны провода. Они летят в проводе то вперед, то назад. Сотни тысяч раз в секунду происходят такие колебания электронов. Чтобы услышать передачу, нужно словно рассечь пополам эти колебания, пропустить в наушники только те движения электронов, которые направлены в одну сторону. В этом случае переменный ток, как говорят, выпрямляется, превращается в пульсирующий постоянный ток. А в сравнительно медленных изменениях его силы (сотни и тысячи колебаний в секунду) как раз и запечатлены передаваемые звуки. Больше сила выпрямленного тока – значит, сильнее оттягивается электромагнитом стальная мембрана наушника. Слабеет ток – и она отходит от электромагнита. Мембрана вибрирует, передает свои колебания воздуху, и вокруг разносятся звуковые волны.
Такова вкратце сущность действия наипростейшего радиоприемника. Как видим, кроме проводов, здесь требуется всего два устройства: наушники и выпрямитель тока. Детектор и выполняет роль выпрямителя.
{109}
ДЕТЕКТОР РАБОТАЕТ
Кристаллик, который находится в стеклянной трубочке, – полупроводник. Электропроводность его, как мы хорошо уяснили раньше, может быть либо электронной, либо дырочной. Допустим, он наделен электронной проводимостью. Но кристаллик неоднороден. На поверхности его попадаются участки, в той или иной степени засоренные примесями. Есть среди них и такие места, где под влиянием примесей электронный полупроводник превратился в дырочный. А на границе электронной и дырочной областей обязательно возникает знакомый нам запирающий слой – зона, в которой нет ни электронов, ни дырок.
Напомним особенность этого слоя: с одной его стороны как бы стоят на страже электроны-«пограничники». Они отталкивают все свободные электроны в глубь электронной области. По другую сторону границы стоит такая же стража дырок. Они, как вы помните, отталкивают другие дырки в глубь дырочной области. Словом, в запирающем слое возникает пограничное электрическое поле. Оно противодействует продвижению электронов и дырок к границе соприкосновения электронной и дырочной областей полупроводника.
К запирающему слою подведем внешнее электрическое поле. В зависимости от направления оно либо добавит свою силу к силе пограничной стражи в полупроводнике (расширит запирающий слой), либо, наоборот, ослабит и даже сметет прочь электроны и дырки-«пограничники».
А если подвести переменное, то есть меняющее направление, электрическое поле? Очевидно, запирающий слой будет периодически расширяться и исчезать, Пограничная стража станет то усиливаться, то сниматься вовсе – в такт с изменениями направления внешнего поля. И результат будет такой: в моменты расширения запирающего слоя ток через полупроводник не пойдет (электроны и дырки разбегаются в разные стороны); в моменты же {110} исчезновения запирающего слоя ток через кристалл пойдет (электроны и дырки бегут навстречу друг другу).
Подведем итог. Чувствительная точка детектора – это участок поверхности полупроводника, где носители тока иные, чем в остальном кристалле. Значит, под острием пружинки – запирающий слой. Детектор включен в провод, ведущий от антенны к наушникам. Электрическое поле антенны, пронизывая кристалл, то расширяет этот слой, то уничтожает его. И ток через детектор идет лишь в одном направлении – когда электроны и дырки движутся навстречу друг другу.
Ртутная лампа – выпрямитель переменного тока. Прибор этот громоздкий, неэкономичный и хрупкий. Внизу – полупроводниковый германиевый выпрямитель, отличающийся простотой устройства, надежностью, исключительной экономичностью.
{111}
Нужно сказать, что по этому принципу выпрямляется ток не только в простейшем радиоприемнике. Выпрямители из полупроводников – закиси меди, селена, сернистой меди, а в последнее время из германия – всё шире применяются в технике. Возможности их использования огромны: от простеньких измерительных приборов до радиостанций, электрометаллургических установок, электровозов. И во многих случаях полупроводники-выпрямители оказались наилучшими из выпрямляющих устройств. Их коэффициент полезного действия доходит до 98—99 процентов. Добавьте к этому прочность, надежность, небольшие размеры – и вы поймете, почему производству полупроводниковых выпрямителей уделено особое внимание в Директивах XX съезда партии.
Но вернемся к нашему детектору.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ОЛЕГА ЛОСЕВА
В ту пору, когда появились первые детекторы, они были еще очень несовершенны. Подчас больших трудов стоило найти чувствительную точку. Пружинка с нее то и дело соскакивала. Приходилось снова и снова налаживать приемник. Много изобретательности приложили инженеры, чтобы улучшить детектор.
Современные полупроводниковые приборы – наследники первых примитивных детекторов и вакуумных ламп-диодов.
В 1919 году совершенствованием детектора увлекся молодой радиолюбитель Олег Владимирович Лосев. Мечтая посвятить жизнь радиотехнике, он начал с того, что еще совсем юным поступил рассыльным на первую в {112} нашей стране Нижегородскую радиолабораторию. Здесь заметили любознательного и талантливого юношу. Сотрудники лаборатории помогли ему пополнить образование, и вскоре Лосев приступил к самостоятельной научной работе. Он тщательно исследовал природные минералы, применяемые в качестве детекторов, изучил их электрические особенности и в 1922 году пришел к неожиданному открытию. Молодой ученый доказал, что если особым способом включить в схему приемника два детектора и электрическую батарейку, то можно усилить электрические колебания, поступающие в наушники.
Для того времени открытие Лосева было очень важным. Ведь обычный детекторный приемник давал возможность слушать лишь близкие станции. Дальний прием, особенно В городах, где много помех и трудно устроить высокую и длинную антенну, оказывался практически невозможным. А приемники Лосева, которые он назвал кристадинами, уверенно принимали передачи сравнительно далеких радиостанций. Изобретатель построил на кристаллах и другие аппараты – генераторы, то есть возбудители электрических колебаний.
Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, не требуя за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странах радиолюбители принялись строить приемники по его схемам. Американский журнал писал: «Молодой русский изобретатель передал свое изобретение миру». Французский журнал вторил: {113} «Научная слава ожидает Лосева. Он обнародовал свое открытие, думая прежде всего о своих друзьях – радиолюбителях всего мира».
Несколько лет имя изобретателя не сходило со страниц журналов, но потом стало появляться все реже и реже. К концу 20-х годов идея его – использовать кристаллы для усиления и возбуждения электрических колебаний – была забыта. Наука еще не созрела для творческого, созидательного развития этого замысла. Теории полупроводников не существовало, искусственно создавать такие вещества почти не умели. Все надежды радиоинженеров сосредоточились на другом новшестве – радиолампах.
РАДИОЛАМПА РАБОТАЕТ
Радиолюбители старшего поколения хорошо помнят первые годы победного шествия радиоламп. В миллионах радиоприемников, поблескивая стеклом и металлом, гордыми рядами выстроились эти нежные, хрупкие приборы. Какими они казались совершенными по сравнению с примитивными камешками детекторов!
Радиолампам и впрямь было чем гордиться. Ведь с ними мы получили возможность слушать радио без надоевших наушников! Именно тогда в наших домах зазвучали первые громкоговорители.
Что же делает радиолампа?
Вспомните, как сегодня утром вы умывались у водопроводного крана. Если кран хорошо отрегулирован, достаточно было чуть его коснуться, и струя заметно уменьшалась или, наоборот, увеличивалась. Ничтожные усилия руки вызывали резкие перемены потока воды.
Нечто похожее происходит и в радиолампе. Там еле уловимые колебания антенного электрического поля изменяют мощный поток электронов.
{114}
Схема вакуумного триода. Слева – лампа «отперта»; справа – «заперта».
Как это практически осуществляется?
Простейшая радиолампа – стеклянный баллон, освобожденный от воздуха. Заглянув внутрь, мы увидим три изолированных друг от друга металлических электрода: катод, сетку и анод. Катод и анод включены в наружную электрическую цепь с высоким постоянным напряжением. А на сетку подают слабые сигналы антенны.
Тонкая нить катода раскаляется электрическим током. Поэтому из нее вылетают электроны. Подхваченные сильным полем, они немедленно устремляются к аноду. Но на пути электронов – проволочная спираль сетки. Своим небольшим полем она вблизи заметно действует на летящие электроны: либо свободно пропускает их, либо замедляет полет, ослабляя ток, идущий через лампу, либо, наконец, отбрасывает электроны назад к катоду – «запирает» лампу. Все такие перемены электронного потока происходят в такт с изменениями электрического поля сетки. Электронный поток как водяная струя в трубе, а сетка напоминает кран. И как легкие движения крана создают в трубе резкие толчки воды, так и слабые сигналы, уловленные антенной, вызывают в радиолампе заметные импульсы тока. {115}
Сигналы можно усиливать многократно в нескольких лампах подряд. Да и не только усиливать. Радиолампы с двумя электродами (без сетки) выпрямляют переменные токи – играют роль детекторов. Радиолампы, снабженные дополнительными электродами, исключительно тонко управляют потоками электронов. Наконец, в этих приборах нетрудно возбуждать разнообразные электрические колебания.
ТРИУМФ И КРИЗИС
В руках ученых и инженеров радиолампа стала мощным средством технического прогресса. Непрерывно совершенствуясь, за несколько лет она завоевала всю радиотехнику. Благодаря ей развилось телевидение, появились радиолокация, радионавигация, при ее участии возникли звуковое кино, магнитная звукозапись и множество других замечательных изобретений. Произошла настоящая техническая революция, которая вызвала к жизни новую обширную область знания – электронику.
Казалось, и будущее радиотехники неразрывно связано с радиолампами. Однако прошли десятилетия, и постепенно выяснилось, что радиолампы не так уж безупречны.
На полярной зимовке радист терял с трудом налаженную связь – «садилась» очередная лампа. Летчик неудачно приземлял самолет – лампы бортовой радиостанции не выдерживали встряски и портились. В подавляющем большинстве случаев любой радиоаппарат выходил из строя из-за недолговечности ламп. Срок их службы, исчисляющийся сотнями и тысячами часов, перестал удовлетворять технику. И мало-помалу они приобрели репутацию самых ненадежных, капризных элементов радиосистемы.
Потом и размеры радиоламп оказались слишком большими. Ведь не одну сотню, даже не одну тысячу их насчитывают иные современные радиоаппараты. Нелегко {116} конструктору компоновать это оборудование так, чтобы оно не занимало слишком много места.
Все это заставило радиоинженеров всерьёз подумать о замене радиоламп какими-то другими – компактными и надежными приборами.
Начались поиски новых решений.
