Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

Известно, что люди, лишенные зрения, читают на ощупь — пальцами. В книгах, которые издаются для слепых, буквы, цифры, знаки препинания изображаются сочетаниями выпуклых точек. Но теперь слепые могут читать и любой обычный печатный текст — книгу, журнал, газету и т. д.

Над книгой, которая лежит перед человеком в темных очках, вплотную к странице движется вдоль строки небольшой металлический цилиндрик. А рядом укреплена дощечка, на которой покоится рука слепого. Под его пальцем рядком расположены шесть отверстий, из которых то и дело выскакивают кончики металлических стерженьков. Цилиндрик движется вдоль строки, и стерженьки быстро меняют расположение: одни прячутся, другие появляются. Оказывается, конфигурация стерженьков в отверстиях соответствует буквам в книге, над которыми в это время проходит цилиндрик.

{74}

Читающая машина для слепых.

Чем же это достигается?

Когда цилиндрик проходит над той или иной буквой, он освещает ее и через маленькую линзу проектирует ее изображение, как в фотоаппарате, на шесть крохотных фотосопротивлений. В зависимости от очертания букв фотосопротивления освещаются в разном порядке, и поэтому электрический ток, идущий через них, меняется. С каждым из фотосопротивлений связан через реле электромагнит, приводящий в движение один из стерженьков. Касаясь пальцем стерженьков, слепой и читает книгу. Аппарат как бы переводит ее на язык, понятный людям, лишенным зрения.

Чтобы обучиться читать с помощью этого устройства, слепому требуется всего несколько часов. Нетрудно представить себе, с каким восторгом приняли незрячие люди эту замечательную «читающую машину».

Сконструирована и другая система подобного аппарата. В ней фотосопротивления соединены со звуковыми  {75}  электрическими генераторами, создающими звуки разной высоты. Читающая головка-цилиндрик ползет над буквами, фотосопротивления затемняются в разных сочетаниях и включают разные генераторы. Из громкоговорителя слышится нечто похожее на быструю смену простеньких музыкальных аккордов.

Слепой быстро усваивает голоса и особенности «поющих букв». Аппарат как бы читает ему вслух.

Можно без конца писать о других примерах доброй службы фотосопротивлений. Области их применения множатся буквально с каждым месяцем. И используется в таких незамысловатых приборах чувствительность полупроводников к свету — вторая особенность этих материалов.

Впрочем, только ли фотосопротивления могут быть созданы на основе этого свойства?

Вспомните чувствительность полупроводников к теплу. В наиболее простом виде она дала технике термисторы. Но как только ученые скомбинировали электронный и дырочный полупроводники, то же свойство привело к созданию других ценнейших устройств — термоэлементов.

Что, если испробовать подобный путь и в практическом освоении светочувствительности полупроводников? Не поможет ли это еще дальше усовершенствовать «зрение» машин и приборов?

{76}

{77}

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?

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}

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.

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»...