Электрические полупроводники. Проводимость полупроводников


Полупроводниковые термоэлементы можно использовать для нагревания помещения зимой и охлаждения его летом.
Полупроводниковые термоэлементы можно использовать для нагревания помещения зимой и охлаждения его летом.

И вот в Институте полупроводников было сконструировано охлаждающее устройство для такого прибора — столик, объемом не больше обычного лабораторного микроскопа. Его вместе с источником питания легко может переносить один человек. На столике сосредоточен набор мощных холодильных элементов, и ткань замораживается здесь буквально за несколько минут.

Много необычного на первый взгляд сулит использование подобных свойств полупроводников. Что бы вы, например, подумали, если бы вам предложили отапливать комнату... холодом?

Представьте себе, что большие батареи холодильных элементов установлены так, что их «горячие» спаи находятся внутри комнаты, а «холодные» — снаружи. Если пропускать сквозь них электрический ток, то «горячие» спаи начнут нагревать воздух комнаты, а «холодные» — поглощать тепло из воздуха улицы, «охлаждая» его еще больше.

Внешний холодный воздух восполнит необходимую постоянную разность температур между спаями. А так как величина проходящего через них электрического тока при этом не изменится, то дополнительное тепло в комнате получится благодаря... охлаждению воздуха улицы, т. е. за счет холода! Расход электроэнергии при этом по сравнению с отоплением обычными электрическими печами сократится почти вдвое.

Летом, когда очень жарко, можно изменить направление проходящего через батареи тока и «холодные» спаи станут горячими, «нагревая» воздух улицы, а «горячие» — холодными, охлаждая жилье.

А вот еще пример применения полупроводников. На каждый квадратный метр поверхности Земли, освещенной Солнцем, в среднем приходится около 1 кВт энергии света. А на площадь в 1 га — 10 тыс. кВт — мощность большой электрической станции. А на всю поверхность Земли...

Сверхминиатюрные полупроводники

Одно из достоинств полупроводников — их миниатюрность. Но разработанный недавно сверхминиатюрный транзистор даже среди своих маленьких собратьев кажется лилипутом. Это— тоненькая пластинка металлического германия. Относящиеся к нему сопротивления, проводники и конденсаторы заменены полосками металлической краски, нанесенными на пластинку величиной с маленькую почтовую марку. Применение новых полупроводников позволяет изготовлять радиоприемники размером с ручные часы, слуховые аппараты для глухих, которые будут помещаться в ушной раковине, портативные электронные счетные машины и т. п.

Представьте себе щит площадью в квадратный метр из тоненьких пластинок полупроводниковых фотоэлементов с к. п. д. 10%. Тогда можно непрерывно получать с него до 100 вт электрической энергии. Выложенная такими батареями крыша одноэтажного дома площадью, допустим, 100 м2 с избытком обеспечит нужды жильцов дома в электрической энергии (10 квт). Только часть пустыни Каракумы, покрытая такими батареями, удовлетворяла бы потребность в энергии всего человечества до тех пор, пока светит Солнце. Угроза, что иссякнут источники снабжения людей нефтью и углем, будет уже не страшна.

Вверху: крыша дома, выложенная полупроводни-новыми фотоэлементами, вполне обеспечила бы его жителей электроэнергией. В середине: «солнечный» приемник. В его ручку встроена батарея полупроводниковых фотоэлементов. Она обеспечивает работу приемника днем и заряжает крошечные аккумуляторы для шести-,семичасовой работы ночью. Внизу:	«атомная» электрическая батарея.Радиоактивное вещество, излучающее очень быстрые электроны, непрерывно приобретает положительный электрический заряд, а наружная оболочка батареи — отрицательный.

Вверху: крыша дома, выложенная полупроводни-новыми фотоэлементами, вполне обеспечила бы его жителей электроэнергией. В середине: «солнечный» приемник. В его ручку встроена батарея полупроводниковых фотоэлементов. Она обеспечивает работу приемника днем и заряжает крошечные аккумуляторы для шести-,семичасовой работы ночью. Внизу: «атомная» электрическая батарея. Радиоактивное вещество, излучающее очень быстрые электроны, непрерывно приобретает положительный электрический заряд, а наружная оболочка батареи — отрицательный.

Но и это еще не все! Ученые подсчитали, что к. п. д. кремниевых фотоэлементов можно будет со временем довести до 20%, т. е. до 200 вт с 1 м2. Это значит, что фотоэлемент, который сейчас служит главным образом в приборах техники слабых токов, станет основой всей энергетики будущего.

Вот походный приемник — величиной с небольшую дамскую сумочку. Для его работы достаточно полупроводниковой солнечной батареи, встроенной в... его ручку.

Энергии обычного дневного света или яркой электрической лампы вполне хватит не только для питания приемника, но и для зарядки крошечных батареек-аккумуляторов, обеспечивающих шестичасовую работу приемника ночью.

В третьем искусственном спутнике один из радиопередатчиков и несколько важнейших приборов питались от солнечной батареи.

Но свет — только одна из форм излучений, существующих в природе. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет в себе излучение. Например, энергия ультрафиолетовых лучей намного больше, чем лучей видимого света; энергия рентгеновских лучей — чем ультрафиолетовых; энергия гамма-лучей — чем рентгеновских, и т. д. (подробнее см. т. 3, раздел «Физика»). Поэтому, если германиевые или кремниевые полупроводниковые фотоэлементы «осветить» невидимыми ультрафиолетовыми, рентгеновскими, гамма-лучами или, наконец, просто потоком летящих с очень большой скоростью электронов, то создаваемый ими электрический ток будет еще большим, чем под действием видимого света. На этом принципе уже созданы первые образцы «атомных» электрических батарей.

Полупроводниковые приборы открывают совершенно новые возможности и для преобразования переменного электрического тока в постоянный.

В каждом сетевом приемнике, телевизоре, усилителе есть выпрямитель — устройство, питающее различные цепи приемника постоянным электрическим током, большей частью высоких напряжений. Такой выпрямитель занимает добрую четверть объема и веса всего приемника или телевизора. Промышленные выпрямители, рассчитанные на большой ток и высокое напряжение, тоже очень сложны и громоздки. Например, для управления магистральным электровозом очень выгодно и удобно, чтобы двигатели его питались постоянным током.

Для передачи же на далекие расстояния выгоден переменный ток. Чтобы использовать преимущества того и другого вида тока, на некоторые типы электровозов ставят мощные выпрямители, которые занимают много места.

К.п.д. же современных полупроводниковых выпрямителей может достигать 98-99%. Поэтому пластинка площадью 100-120 см2, т. е. величиной с записную книжку, при условии идеального ее охлаждения могла бы выпрямлять переменный ток в постоянный, достаточный для питания электровоза мощностью 3-4 тыс. л. с.

К сожалению, полупроводниковые выпрямители пока работают при температурах не выше 200°. Это еще мешает их широкому внедрению, хотя с каждым годом число всевозможных видов малых полупроводниковых выпрямителей все увеличивается.

Мы говорили здесь об энергетическом применении полупроводников. Но было бы несправедливо обойти и многие другие области слаботочной электроники. Приведем лишь наиболее важные и интересные примеры.

Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный на электровозе мощностью 4—5 тыс. л. с., было бы достаточно полупроводниковых пластинок размером с записную книжку, конечно, если бы их удалось идеально охлаждать.
Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный на электровозе мощностью 4—5 тыс. л. с., было бы достаточно полупроводниковых пластинок размером с записную книжку, конечно, если бы их удалось идеально охлаждать.

При нагревании чистых металлов их электрическое сопротивление увеличивается. У полупроводников оно, наоборот, уменьшается. Это свойство оказалось очень важным для ниспровержения термометра — прибора, достаточно долго «засидевшегося» в науке и технике.

Почему, чтобы изморить температуру больного, нужно целых 10 мин. сидеть неподвижно, пока столбик ртути поднимется и зафиксирует правильную температуру? А сколько десятков людей нужно, чтобы записывать и регулировать температуру на производствах, в сотнях цехов и помещений, в тысячах всевозможных аппаратов! Все это куда проще, легче, точнее и, главное, быстрее можно сделать при помощи совсем крошечного кусочка полупроводника — термистора.

Термистор последовательно соединяется с небольшой электрической батареей и очень чувствительным измерительным прибором. Достаточно внешней температуре чуть-чуть повыситься или понизиться, как сопротивление термистора резко уменьшится или увеличится, изменится и протекающий через него ток. Это и покажет проградуированный измерительный прибор.

Такие термометры-крошки можно установить в любом пункте, даже непосредственно в деталях машин, например в подшипниках. Они мгновенно поднимут тревогу, если подшипники по какой-либо причине начнут перегреваться.

Фотоэлементы сортируют бревна

На некоторых лесопильных заводах есть оригинальная установка, автоматически сортирующая бревна. Ее 17 фотоэлементов внимательно «осматривают» проходящие мимо них на транспортере бревна и определяют их длину и толщину. Длина бревна определяется в зависимости от времени затемнения им продольного ряда фотоэлементов, а толщина бревна — в зависимости от того, сколько оно затемняет элементов вертикального ряда. Измеренные фотоэлементами бревна в соответствии с сигналами фотоэлектрической установки направляются на ту или иную ветвь транспортера и затем сбрасываются с него в бассейн, предназначенный для бревен данного сорта.

Самое удивительное здесь — в исключительной чувствительности устройства. В Ленинградском агрофизическом институте сконструирован микроэлектротермометр, названный «иглой». Шарик диаметром в 0,5 мм позволяет одним прикосновением, длящимся десятую или даже сотую долю секунды, измерять с большой точностью не только температуру человеческого тела, но и отдельных участков его кожи, артерий, вен и т. д. Более того, можно измерять даже температуру различных участков листа растения. Но как быть, если нужно узнать очень незначительные изменения температуры предмета, до которого нельзя непосредственно прикоснуться термистором? Для этого служит другой прибор — болометр. Это еще более крошечное термосопротивление, сделанное из самых чувствительных к изменению температуры полупроводников. Оно окрашено в черный цвет и заключено в трубку, из которой выкачан воздух. Сам болометр установлен в фокусе большого металлического зеркала и охлаждается до очень низкой температуры.

Любой нагретый предмет излучает тепловые — инфракрасные — лучи. Болометры позволяют правильно измерить температуру тела человека на расстоянии до километра, обнаружить на расстоянии нескольких километров горящую спичку и даже измерить температуру любого участка поверхности Луны или определить температуру звезды. Короче говоря, с помощью болометра можно измерить температуру любого тела, излучающего инфракрасные лучи, как бы далеко оно от нас ни находилось.

 Полупроводниковые германиевые и кремниевые приборы. В центре, в кружке, фототриод— комбинация из фотоэлемента (фотодиода) и усилительного триода. Этот чрезвычайно чувствительный прибор мог бы обнаружить излучение спички, зажженной на Луне!

Полупроводниковые германиевые и кремниевые приборы. В центре, в кружке, фототриод— комбинация из фотоэлемента (фотодиода) и усилительного триода. Этот чрезвычайно чувствительный прибор мог бы обнаружить излучение спички, зажженной на Луне!

Понимание происходящих в полупроводниках физических процессов позволило даже хорошо известные и изученные типы фотоэлементов сделать еще более чувствительными и эффективными.

Если к германиевому фотоэлементу подключить еще и небольшую электрическую батарейку, то получается новый прибор — фотодиод, чрезвычайно чувствительный к видимому и невидимому свету. Комбинированный фотоэлемент с фотодиодом и усилительным прибором — фототриодом обладает уже баснословной чувствительностью. Создаваемый им под действием света довольно большой ток одновременно автоматически усиливается.

При помощи такого чувствительного к инфракрасным лучам прибора можно определить местоположение самолетов, кораблей и других нагретых тел на очень далеких расстояниях. С самолета можно не только определить место, где, например, стоят на земле замаскированные самолеты или автомобили, но даже обнаружить, где они стояли несколько часов тому назад и нагрели своим теплом окружающие предметы.

С помощью такого прибора можно составить подробную карту распределения тепла по поверхности Марса. Ведь фототриод мог бы обнаружить свет спички, зажженной, например, на поверхности Луны.

Возможности применения полупроводников поистине не имеют границ. Впереди еще много необыкновенных открытий в этой области.