Что такое полупроводник - Анфилов Глеб Борисович (читать книги онлайн полностью без регистрации TXT) 📗
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.
