Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

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}

{105}

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.

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}

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.