В статье академика А. Ф. Иоффе рассказывается, как область материалов со средней проводимостью превратилась в ключевое направление физики и техники. Полупроводники, ранее почти не применявшиеся, стали основой новых приборов и теорий, изменив представления о взаимодействии заряда и вещества. Исследования института сосредоточены на изучении их свойств и практических возможностей.
Далее объясняется, как квантовые представления позволили понять различия между проводниками, диэлектриками и промежуточными материалами. Описаны механизмы переноса заряда, включая движение электронов и «дырочный» процесс, а также влияние примесей на проводимость. Эти открытия открыли путь к созданию новых типов фотоэлементов и приборов, реагирующих на свет.
В заключение рассматриваются практические применения: усовершенствованные фотоэлементы, аппаратура для кино, устройства безопасности и выпрямители тока. Подчёркивается, что исследования находятся на раннем этапе, но уже обещают серьёзные изменения в автоматике, связи и энергетике, а также в понимании природы электричества.
Ещё десять лет назад электротехника применяла только два вида материалов: металлические проводники и изоляторы, совсем или почти совсем не проводящие электрический ток.
Удельное сопротивление металлов выражается стотысячными долями ома, а сопротивление изоляторов — многими миллиардами омов. Между этими крайними пределами лежит громадная область так называемых полупроводников с самыми различными физическими и химическими свойствами.
До недавнего времени из полупроводников применялись только электролиты, которые встречаются в аккумуляторах и электрохимических производствах. Но сейчас наука подходит к освоению так называемых электронных полупроводников. В них прохождение тока, как и в металлах, не сопровождается никакими побочными химическими изменениями вещества. Их не изучали физики, они не применялись в технике. А между тем в полупроводниках крылись важнейшие источники нашего познания электричества, интереснейшие химические проблемы и богатые возможности практического использования. Почти всё, что окружает нас в неорганической природе, должно быть отнесено к полупроводникам. Таковы окислы, сульфиды, почти все минералы и некоторые элементы.
Сейчас положение меняется на наших глазах. В электрофизике полупроводники начинают занимать центральное место: на их изучении строятся и современная теория твёрдого тела и новое понимание связи электрических зарядов с веществом. Своеобразные свойства полупроводников открыли обширное поле для технических применений и новые заманчивые перспективы. Так, появляются твёрдые выпрямители переменного тока, твёрдые фотоэлементы, оксидная изоляция, стабилизаторы напряжения, предохранители высоковольтных сетей от перенапряжения; автоматика и телеуправление техническими процессами широко пользуются полупроводниками.
В соответствии с таким развитием электрофизики Физико-технический институт Академии наук сосредоточил сейчас своё внимание на исследовании полупроводников и их применении.
 |
| Академик А. Ф. ИОФФЕ |
*
Уже в 1913 г. благодаря работам известного датского учёного Нильса Бора выяснилось, что в каждом атоме электрон может обладать только рядом вполне определённых значений энергии, которые вычисляются квантовой теорией. Принято говорить, что электрон находится при этом в определённом квантовом состоянии, или на определённом уровне энергии.
Это состояние характеризуется, грубо говоря, тем, что электрон вращается вокруг ядра атома на известном расстоянии от него и с определённой скоростью и, стало быть, обладает соответствующей величиной энергии.
Переход из одного квантового состояния в другое происходит не постепенно, а скачками.
Спустя пятнадцать лет квантовая теория стала проникать и в электрофизику твёрдого тела — сначала металлов, а затем и полупроводников. Согласно этой теории, при образовании из отдельных атомов твёрдого кристалла весь кристалл следует рассматривать как одну громадную молекулу, в которой электроны, так же как в атоме, могут занимать лишь вполне определённые квантовые состояния. И в каждом из этих состояний может находиться только один электрон. Он может изменить свою энергию или направление своей скорости только в том случае, если перейдёт в новое квантовое состояние, ещё не занятое другим электроном. Это дало возможность объяснить различие между металлом, полупроводником и изолятором.
В металлах число доступных для электронов квантовых состояний гораздо больше числа самих электронов, поэтому электрон под воздействием электрических сил легко может изменить своё состояние, например начать двигаться вправо, если до этого он двигался влево, увеличить или уменьшить свою скорость и т. п. Электрические силы могут создать в металле одностороннее движение электронов, которое мы называем электрическим током.
Не то в изоляторах: здесь число возможных квантовых состояний как раз равно числу электронов; все доступные уровни заняты. Поэтому электроны могут только обмениваться своими состояниями. Но этот обмен не может проявиться заметным образом, так как электроны неотличимы друг от друга. Если, например, число электронов, двигающихся вправо и влево, одинаково, то никакое внешнее воздействие не может заставить преобладающую часть электронов начать двигаться в одну сторону и создать таким образом односторонний поток электронов, то есть электрический ток. И в изоляторе имеется большое число незанятых уровней, но, для того чтобы электрон мог занять какой-либо из них, ему нужно придать значительную добавочную энергию. Так как при обычной температуре атомы находятся в постоянном тепловом движении, то энергию, необходимую для скачка на свободный уровень, электрон может получать за счёт этого движения. Тепловое движение крайне не упорядочено; всё же электрону время от времени удаётся получить большую дополнительную энергию, необходимую для достижения свободного уровня. Тогда электрон уже может, подчиняясь внешним электрическим силам, переходить в соседние свободные состояния, может двигаться в одну или другую сторону и, следовательно, переносить ток, как в металле. Но ток здесь определяется только теми немногими электронами, которым удалось перейти в один из свободных уровней. Эти электроны через некоторое время снова возвращаются в состояния с нормальной энергией. Их место на свободных уровнях занимают другие электроны. Такова картина полупроводника.
Из этой картины вытекает важное следствие: в полупроводниках ток может получить новый, своеобразный характер. Так как часть электронов под действием теплового движения перешла на свободные уровни повышенной энергии, то среди нормальных состояний образовалось соответственное число свободных мест. Теперь для оставшихся там электронов нет уже полного запрета изменять своё движение, они могут перейти в одно из немногих освободившихся «пустых» состояний. Значит, и эти электроны могут участвовать в прохождении тока. Но как будет выглядеть такой ток?
Электрон, перешедший на свободные уровни, может перемещаться по всему кристаллу, он удалится от своего атома. В том же месте, где он прежде находился, теперь не хватает его отрицательного заряда, следовательно, здесь появился избыток положительного заряда. Приложим к полупроводнику напряжение, создав внутри него электрические силы. Они могут быть направлены, например, так, чтобы электроны смещались слева направо; тогда на свободное место, оставленное электроном (это место часто называют положительной дыркой), перейдёт ближайший слева электрон. Дырка будет заполнена, но зато появится такая же дырка слева. Она, в свою очередь, заполнится электроном, находящимся от неё слева, и т. д. Положительная дырка будет перемещаться всё время справа налево, то есть в том направлении, в котором двигался бы в данном электрическом поле положительный заряд. Таким образом, хотя мы имеем дело с движением отрицательных электронов вправо, но их переход происходит так, что место, где находится положительная дырка, всё время перемещается влево. Такой механизм тока в полупроводниках часто называют дырочным, тогда как ранее описанное перемещение немногих электронов, находящихся на свободных уровнях, называют электронным механизмом тока.
 |
| Схема «дырочного» образования тока. На место удалившегося электрона, называемое «положительной дыркой», переходит соседний электрон слева. На месте этого последнего образуется также дырка, которая заполняется другим ближайшим слева электроном, и т. д. Так отрицательно заряженные электроны передвигаются вправо, а положительная дырка перемещается влево. Это и есть дырочный ток. |
Дальнейшие исследования показали, что эти интересные свойства полупроводников во много раз увеличиваются от посторонних примесей. Так, например, достаточно иногда ввести в вещество всего лишь один процент примеси, чтобы повысить эффект в миллионы раз. Этим приёмом мы широко и успешно пользуемся на практике.
*
Энергия, необходимая для перехода электрона в свободное состояние, может быть получена не только от теплового движения, но и от световых лучей. Число свободных электронов тогда увеличивается. Ток, проходивший через полупроводник в темноте, резко возрастает при освещении. Это явление называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.
Если же электрон, поглотивший свет, находится у самой поверхности вещества, он может оторваться от атомов и выйти во внешнюю среду. Такое явление называют внешним фотоэффектом. Поток таких электронов является носителем электрического тока. На использовании обоих видов фотоэффекта и построены современные фотоэлементы — приборы, дающие ток под влиянием света.
В полупроводниках удалось обнаружить чрезвычайно интересную разновидность фотоэффекта. Если покрыть определённым образом закись меди тончайшим прозрачным слоем металла, то при освещении металл заряжается отрицательно по отношению к полупроводнику — закиси меди. В тонком промежуточном слое между закисью меди и металлом создаётся разность потенциалов (в несколько десятых вольта), которая при замыкании цепи создаёт ток. Этот ток не требует, как видим, внешних источников. Его энергия целиком доставляется одним только светом. Правда, из световой энергии в электрическую переходит здесь всего несколько сотых процента, но и это много больше, чем при внешнем фотоэффекте.
Разность потенциалов в тонком промежуточном слое указывает на то, что этот слой обладает очень высоким сопротивлением; поэтому его называют запорным слоем. А фотоэлементы, построенные на этом принципе, называются твёрдыми или фотоэлементами с запорным слоем.
 |
Схема фотоэлемента с запорным слоем. Когда на него падают
лучи света, в тонком промежуточном слое между закисью меди и золотом создаётся
разность потенциалов, которая при замыкании цепи даёт электрический ток. |
Совершенно такими же свойствами обладают селеновые фотоэлементы, с той только разницей, что они превращают в энергию электрического тока около 0,1 % световой энергии. На единицу падающего света (1 люмен) фотоэлементы из закиси меди дают ток в 150 миллионных ампера, а селеновые — от 400 до 500 миллионных.
Вначале было распространено мнение, будто явление, которое мы наблюдаем в запорном слое, представляет совершенно самостоятельный вид фотоэффекта. Однако работами Физико-технического института Академии наук было установлено, что на самом деле мы имеем в этом случае одно из проявлений внутреннего фотоэффекта.
Работники института поставили задачу создать фотоэлементы из материала, обладающего гораздо более сильным внутренним фотоэффектом, чем закись меди или селен, а именно — из сернистого таллия.
Удалось установить, что и закись меди и селен обладают дырочным механизмом проводимости, о котором мы рассказывали выше. Сернистый же таллий, как оказалось, может быть сделан как дырочным, так и электронным полупроводником, в зависимости от того, имеется ли в нем избыток серы или таллия. В дырочном полупроводнике свет, вырывая электрон, сообщает ему достаточную энергию для того, чтобы он мог перейти в свободное состояние. Пройдя через запорный слой и металл, электрон заряжает металл своим отрицательным зарядом, в электронном же полупроводнике вырванный светом электрон освобождает одно из нормальных квантовых состояний, которое сейчас же занимает электрон, пришедший через запорный слой из металла. При этом металл, отдав электрон, заряжается положительно. Это — новый, ещё никогда не наблюдавшийся вид фотоэффекта запорного слоя.
 |
Схема фотоэлемента из сернистого таллия. Здесь вместо меди и
её закиси применён слой сернистого таллия на железной основе. Такой фотоэлемент
обладает особой чувствительностью к невидимым, инфракрасным лучам. |
Научный сотрудник Физико-технического института Б. Т. Коломиец создал фотоэлементы, построенные на этом принципе. Они отличаются весьма практически ценными особенностями. В то время как дырчатые фотоэлементы действуют только от видимого света, электронные обладают особенно высокой чувствительностью именно к невидимым, инфракрасным лучам. Ток, получаемый при этом, оказывается в несколько раз сильнее, чем дают фотоэлементы с дырчатым механизмом (от 5 тыс. до 8 тыс. миллионных ампера на люмен). Коэффициент полезного действия новых фотоэлементов приблизился к 1%, то есть увеличился почти в десять раз.
Эти серноталлиевые фотоэлементы Б. Т. Коломиец применил для звукового кино. На заводе «Ленкинап» к XVIII съезду ВКП(б) была создана новая аппаратура. Она безупречно работает в Доме кино и в кинотеатре «Форум».
Новая аппаратура отличается простотой: отпадает необходимость в добавочном фотокаскаде усиления, в источниках и проводках высокого напряжения. Но главное её преимущество — чистота звука. Единственным источником тока в новых фотоэлементах и в громкоговорителях служит проходящий сквозь киноленту свет. Если этого освещения нет, то звук полностью отсутствует. В прежних же аппаратах, где имелись высоковольтные батареи, ток проходил самым беспорядочным образом и без света и давал те неприятные потрескивания и шипение, которые так портят звук в кино. Новые фотоэлементы нечувствительны также к механическим колебаниям и всякого рода внешним влияниям на киноаппарат.
Другая область применения новых фотоэлементов — приборы, обеспечивающие безопасность горных и шахтных работ. Появляющиеся в воздухе небольшие следы горючих газов сгорают на поверхности платиновой проволочки, нагретой током, и повышают её температуру. А фотоэлемент, чувствуя невидимые глазу инфракрасные лучи, отмечает этот нагрев и даёт сигнал о приближении опасности.
При помощи новых фотоэлементов можно осуществить любую сигнализацию не только в видимых, но и в невидимых лучах; можно автоматизировать самые разнообразные технические процессы, сортировку и контроль изделий и многое другое.
А сам фотоэлемент необычайно прост и удобен. Он представляет собой покрытую прозрачным лаком полоску железа с нанесённым тонким слоем сернистого таллия и прозрачным золотым покровом. Отсутствие необходимости во внешних источниках тока и громадная чувствительность открывают новому фотоэлементу весьма широкие перспективы в технической практике. Токи, создаваемые сильным светом, достигают 0,2 ампера при напряжении 0,3 вольта.
Б. Т. Коломиец продолжает работать над дальнейшим улучшением серноталлиевых фотоэлементов и над созданием новых, ещё более совершенных типов. Мы уверены, что в этой области возможен ещё значительный прогресс.
*
Ещё раньше, чем твёрдые фотоэлементы, в технике появились твёрдые выпрямители переменного тока. В 1926 г. американскому инженеру Грёндалю удалось приготовить окислённые при высокой температуре пластинки меди, которые обладали замечательным свойством. Если включить такую пластинку в электрическую цепь так, чтобы медь служила положительным полюсом, то сопротивление току окажется очень высоким. Если же сделать так, чтобы медь служила отрицательным полюсом, то сопротивление будет значительно меньше. Включив такую пластинку в цепь переменного тока, Грёндаль получал гораздо более сильные токи в одном направлении, чем в противоположном. Пластинка превращала переменный ток в ток одного направления. Переменный ток 100 раз в секунду меняет своё направление. Пластинка Грёндаля пропускает только ток одного направления, хотя и непостоянный во времени. Его можно, однако, применять для зарядки аккумуляторов, для вращения электромоторов постоянного тока, для электросварки и многих других практических целей.
 |
Схема твёрдого выпрямителя. Рабочим веществом здесь является
закись меди, которой покрывают медную пластинку при температуре свыше тысячи
градусов. В таком выпрямителе электрический ток в одном направлении проходит
значительно легче, чем в обратном, — таким образом ток выпрямляется. |
Твёрдые выпрямители по сравнению с ртутными обладают преимуществом простоты и длительности работы, а при низких напряжениях — и большим коэффициентом полезного действия.
Научные исследования, проведённые в Физико-техническом институте, позволили установить правильный взгляд на внутренний механизм этих выпрямителей.
В выпрямителях Грёндаля рабочим веществом является закись меди, которой покрывают медную пластинку при температуре свыше 1000°. Между закисью и медью образуется тонкая прослойка с большим сопротивлением. Когда медь служит отрицательным полюсом цепи, электроны из неё легко проходят сквозь запорный слой в закись меди. Сопротивление запорного слоя в этом случае невелико — это так называемое пропускное направление. Если же направление тока таково, что электроны принуждены идти через запорный слой из закиси меди в медь, то сопротивление слоя оказывается весьма значительным — в тысячи раз большим, чем в пропускном направлении. Это — запорное направление тока.
Различие между пропускным и запорным направлениями объяснялось прежде следующим образом. В металле очень много свободных электронов, поэтому они и переходят в большем количестве из металла, чем из полупроводника, где их мало. Ошибочность такого «простого» объяснения стала, однако, совершенно очевидной, когда научный сотрудник Физико-технического института В. П. Жузе (а также Хартман в Германии) доказал, что только в дырочных полупроводниках, каким является закись меди, пропускной ток переносит электроны из металла в полупроводник. В электронных же полупроводниках, наоборот, электроны переходят именно в металл.
Вслед за тем стройную теорию выпрямляющего действия создали советские учёные Д. И. Блохинцев и Б. И. Давыдов. Такая же теория была развита в последние месяцы работами Шоттки в Германии.
Меднозакисные выпрямители уже давно получили широкое распространение в США и вызвали к жизни большое производство. Выпрямители строятся там на токи в тысячи ампер, на напряжение в десятки тысяч вольт и применяются в радиоустановках. В СССР вначале производились лишь небольшие выпрямители (на 3—5 ампер) для автоблокировки транспорта. В тесной связи с заводом имени Козицкого Физико-технический институт разработал технологию промышленного изготовления выпрямителей на сотни и тысячи ампер и установил технические условия их эксплуатации при низких и высоких температурах. По качеству наши выпрямители не уступают американским.
Освоен также другой известный за границей тип выпрямителей — из селена, нанесённого на железную основу.
Наряду с этим в институте ведётся большая работа по созданию новых, более совершенных типов выпрямителей. Первое, на что мы обратили внимание, это громадные количества дефицитной меди, которые необходимы для производства медно-закисных выпрямителей на тысячи ампер. Чтобы выпрямить ток всего лишь в 0,1 ампера, необходим квадратный сантиметр медной пластинки. Научному сотруднику Б. В. Курчатову удалось создать выпрямители, в которых запорный слой образует сернистая медь. Основой этих выпрямителей служит алюминиевая чашечка диаметром в 2—3 сантиметра. Одна такая чашечка выпрямляет токи от 60 до 175 ампер. Здесь на квадратный сантиметр приходится в 100 раз больший ток. Вес и размеры этих выпрямителей поэтому гораздо меньше.
Однако основной недостаток как наших, так и заграничных выпрямителей состоит в их низком коэффициенте полезного действия. Сейчас он не превышает 80%. Поэтому твёрдые выпрямители применяются только там, где напряжения не превосходят 40 вольт. Важнейшей задачей сейчас и является повышение их коэффициента полезного действия до 90%, что открыло бы новые области применения. Эту задачу мы и поставили себе на ближайшие годы.
По отношению к фотоэлементам коэффициент полезного действия не играет пока столь существенной роли. Вряд ли в ближайшем будущем встанет вопрос об использовании фотоэлементов как источников энергии. Здесь важнее изменить чувствительность к определённым участкам спектра, повысить создаваемое фотоэлементом напряжение и понизить его сопротивление.
*
Выпрямители и фотоэлементы не исчерпывают технических применений полупроводников. Мы находимся лишь в самой начальной стадии проникновения полупроводников в электротехнику, автоматику, сигнализацию. Уже намечаются новые термоэлементы, фототелеграфия, телевидение, усиление токов при посредстве полупроводников. В каждой из этих областей переход к полупроводникам обозначал бы громадный шаг вперёд, так как термоэлектродвижущие силы, фототоки в телевидении и электронные потоки в усилителях произвели бы целый переворот в современной технике.
 |
Физико-технический институт Академии наук непрерывно
работает над созданием новых типов фотоэлементов. Фотоэлементы становятся всё
более совершенными, а размеры их делаются всё меньше. |
Не менее значительны перспективы, открываемые полупроводниками в области познания связи электричества с веществом. И здесь мы ещё овладели только первыми позициями. Сочетая нашу теорию с лабораторным и техническим опытом, мы идём, однако, к созданию передовой физической теории, проверенной в горниле практики.
Комментариев нет:
Отправить комментарий