Что такое полупроводник

{43}

В ЛЕСНОЙ ИЗБУШКЕ

Мы далеко от города — в таежном краю, в непроходимой лесной чаще.

Среди занесенных снегом могучих елей приютилось несколько приземистых избушек охотничьей фактории.

Зимний день короток. Рано загораются огоньки керосиновых ламп за морозными узорами окошек. С наступлением темноты совсем тихо, спокойно становится кругом. Тайга спит. Но люди бодрствуют, они живут, связанные незримыми нитями со всей страной.

Войдите в любой из домиков. Вы услышите перезвон курантов Спасской башни, голос прославленного ученого из столицы, музыку дальних стран. Радио! Оно особенно дорого в глуши, куда не дотянулись еще линии электропередач.

Приемник черпает энергию от электрических батарей. Когда они в порядке, комната полна звуками большого мира. Но случается — батареи подводят. Истощились они, и стало тихо, сиротливо. Еще совсем недавно это считалось неизбежностью. А теперь батарейный приемник может работать без батарей. {45}

^{Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе.}

Под потолком на цепочках висит странного вида керосиновая лампа. В верхней части ее — темная трубка. Она окружена большими металлическими пластинами — словно старинный воротник «жабо» надет на лампу. Из-под «воротника» тянется пара проводов к стоящему рядом приемнику «Родина».

Возвращается к вечеру домой охотник или лесник, зажигает лампу. В комнате светло. Проходит несколько минут, и приемник словно пробуждается. Освещается шкала настройки, набирает громкость голос далекого города.

Почему ожил приемник?

НОВОЕ СВОЙСТВО

Раньше мы подробно говорили о двух видах полупроводников — электронном и дырочном. В первом при нагревании освобождаются электроны, во втором — появляются дырки.

Сделаем из каждого такого полупроводника по брусочку, поставим их рядом и припаяем сверху к их торцам металлическую пластину. Получилось нечто вроде буквы «П» — так называемая термопара, или термоэлемент. Теперь прижмем спаянные концы брусочков (верхнюю перекладину буквы) к чему-нибудь горячему, а свободные концы, наоборот, охладим.

^{Простейшая полупроводниковая термопара.}

^{Справа — столбик электронного полупроводника, а слева — дырочного. В концах столбиков скапливаются освобожденные теплом электрические заряды. Так тепло преобразуется в электрическую энергию.}

В нагретом конце электронного брусочка появятся {46} освобожденные нагреванием электроны. Они забегают, начнут сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец брусочка — туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но мы помним, что электроны — отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце брусочка появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд.

В горячем конце дырочного бруска возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Но, как вы помните, дырка ведет себя подобно частице, наделенной положительным электрическим зарядом. Значит, холодный конец дырочного брусочка термопары приобретает положительный заряд.

Эти заряды тем больше, чем значительнее разность температур горячего и холодного концов обоих брусочков. {47}

Итак, на холодных концах термопары появились разноименные электрические заряды. Стоит соединить их проволочкой, и по ней потечет электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. Это и происходит в нашей лампе.

СЕКРЕТ «ВОРОТНИКА»

Заглянем под «воротник» лампы. Там тесно прижались друг к другу серые, тускло блестящие столбики величиной с ириску «Золотой ключик». Это термоэлементы. В них и рождается электрический ток.

Какие полупроводники можно применить для термопар? Нетрудно понять, что они должны удовлетворять следующим требованиям: во-первых, создавать нужное количество электронов или дырок при нагревании; во-вторых, неплохо проводить электрический ток (тогда электроны или дырки легче перекочуют от нагретых концов к холодным); в-третьих, плохо передавать тепло (чтобы резче была разница температур на противоположных концах термопар).

Нелегко найти вещества, наделенные одновременно всеми этими свойствами. Как правило, материал, хорошо проводящий электрический ток, отлично проводит и тепло. Только глубокий теоретический анализ явления и многочисленные опыты помогли ученым создать нужные материалы — особые сплавы со специальными примесями; сплавы эти неплохо проводят ток, а примеси как бы укрепляют, «дисциплинируют» внутренний строй атомов, удерживают их от чрезмерно сильного теплового движения. В результате теплопроводность материала уменьшается. Из таких сплавов и сделаны термоэлементы нашего «воротника».

Соединенные друг с другом последовательно и параллельно, термопары образовали трубку. Когда лампа зажжена, внутренние их спаи нагреваются «отсветившими», но еще горячими газами, которые поднимаются от фитиля.

{48}

^{«Прадедушка» современных термоэлектрогенераторов — «партизанский котелок».}

А наружные спаи охлаждаются комнатным воздухом через пластины радиатора (их-то мы и сравнивали со складками «жабо»). Разница температур достигает 250—300 градусов. Этого вполне хватает, чтобы получить энергию для питания многолампового радиоприемника.

Удивительный светильник, с которым мы познакомились, носит название ТГК — термоэлектрогенератор керосиновый. Сейчас такой аппарат уже не редкость. Первые образцы его появились в 1950 году, а теперь он значительно усовершенствован и продается во многих сельских магазинах.

У этой установки любопытная история. Еще не имея полупроводников, физики пробовали строить термоэлектрогенераторы с термопарами из металлов. Однако экономичность таких устройств была ничтожной. В годы Великой Отечественной войны у нас был создан «партизанский котелок» — прадедушка современных термоэлектрогенераторов. {49} То был металлический сосуд в форме крестьянского чугуна, в дне которого находился блок полупроводниковых термоэлементов. В «партизанский котелок» наливали холодную воду и вешали его над горящим костром. Энергии, которую он вырабатывал, было достаточно для маленькой армейской радиостанции «Север».

В 1946 году появились термоэлектрогенераторы в виде самовара. Они обладали уже довольно высоким коэффициентом полезного действия — около 4 процентов (такую долю тепла они превращали в электроэнергию). Еще пять лет спустя советские физики создали печь-термоэлектрогенератор на дровах. Она вырабатывала 100—200 ватт электроэнергии.

^{Термоэлектрогенератор на керогазе. Прибор питает энергией колхозную радиостанцию «Урожай».}

{50}

Сейчас промышленность начинает выпускать термоэлектрогенератор типа ТГУ-1 мощностью 16 ватт. Он действует от керогаза и питает энергией колхозную радиостанцию «Урожай». На полевых станах смеются: наши связисты стали сродни поварам. Шутки шутками, а энергия, «приготовленная на керогазе», дешевле, чем полученная от батарей. Любой МТС гораздо выгоднее приобрести керосиновый термоэлектрогенератор, чем покупать для своей радиостанции батареи. Над термоэлектрогенераторами трудятся и зарубежные физики. В США, например, созданы установки, где в электроэнергию преобразуется тепло горючего газа.

МЕЧТА СБЫВАЕТСЯ

Какое странное сочетание: керосиновый светильник и полупроводники. Воедино слились прошлое и будущее. То, что человек изобрел века назад, что уже уходит в историю, нашло поддержку в замечательном открытии, призванном обогатить технику завтрашнего дня. Ведь наш нехитрый термоэлектрогенератор — это исполнение давней мечты физиков и инженеров: в нем происходит непосредственное преобразование тепла в электрический ток.

Давайте вспомним, как рождается энергия на современных тепловых электростанциях.

Уголь, сгорающий в топке, нагревает в котле воду, которая превращается в пар. Пар вращает турбину, а та, в свою очередь, движет вал генератора, вырабатывающего электроэнергию. Сколько этапов! Сколько преобразований энергии из одного вида в другой! Сколько дорогих механизмов, движущихся частей, которые и смазки требуют и изнашиваются!

А что происходит на современной атомной электростанции? Ядерная энергия выделяется в реакторе главным образом в форме тепла. Это тепло тем или иным способом выводится из реактора и тратится на производство того же пара. Дальше, как на обычной тепловой станции, {51} следуют турбины и генератор. Словом, от тепла до электричества опять длинный окольный путь. Снова сложные механизмы, неизбежные потери энергии.

Иное дело — термоэлемент. В нем тепло превращается в электроэнергию сразу, без промежуточных звеньев.

Уже в наши дни термоэлементы из полупроводников обладают коэффициентом полезного действия 6—8, а в лабораторных условиях — до 10 процентов. Это немало. С таким коэффициентом полезного действия работают небольшие паросиловые установки. Вероятно, уже очень скоро будет выгодно перевести небольшие тепловые машины (мощностью до 100 киловатт) на питание от термоэлектрогенераторов.

Сейчас ученые стремятся удвоить коэффициент полезного действия термобатарей. Тогда он будет таким же, как и у средних тепловых электростанций. А дальше возможно новое повышение экономичности термоэлементов. И если сегодня полупроводники еще не могут заменить обычное оборудование электростанции, то, совершенствуясь по мере развития науки, они, несомненно, изменят лицо энергетики. Придет время, когда электрический ток станет рождаться прямо в топке тепловой электростанции или в реакторе атомной электростанции.

Но вот что важно: не только в промышленной электроэнергетике полупроводниковые термоэлементы способны принести - пользу нашему народному хозяйству. Они открывают и совершенно новые пути получения энергии — пути, о которых раньше и не мечтали инженеры.

БЕРЕГИТЕ ТЕПЛО

В зимние морозные дни на входах в дома хозяйственные управдомы расклеивают плакаты: «Берегите тепло. Закрывайте двери».

Берегите тепло! Этот призыв справедлив не только {52} зимой и не только по отношению к отоплению наших зданий.

Знаете ли вы, какая часть тепла, полученного от сжигания топлива — угля, торфа, газа, дров, — сейчас идет на пользу человеку? Не более одной пятой. Все остальное пропадает бесполезно рассеивается в атмосфере.

Почему теряется такое огромное количество тепла?

Дело здесь вот в чем.

От нас ускользает та тепловая энергия, которая заключена в массах вещества с невысокой температурой. Это тепло — в сточных водах промышленных предприятий, в дыме фабричных труб, в отходящих газах металлургических печей. На первый взгляд его и в самом деле невозможно использовать. Попытайтесь-ка вскипятить чайник водой, нагретой, скажем, до 15 градусов. Вы скажете: не удастся. Ну, а хорошо обогреть помещение такой водой можно? Вы, вероятно, ответите, что этого также нельзя сделать, как бы много ее ни было. Так люди считали долгое время и без сожаления расставались с тепловыми отходами. Но потом додумались повышать температуру воды, увеличивая на нее давление.

Подогретую этим способом воду пускают в отопительные батареи, и она отдает на обогрев помещения энергии больше, чем ушло на сдавливание воды. Однако такой метод далеко не везде применим, сложен, не дает возможности сильно нагреть воду.

Несравненно более широкие возможности открывают здесь полупроводниковые термоэлементы. Всюду, где есть тепло, они способны легко превратить значительную его делю в самый удобный вид энергии — электрическую. Ведь электроэнергию можно использовать тысячью способами— либо сразу превратить ее в свет и движение машин, либо передать по проводам на далекие расстояния, либо, наконец, собрать про запас в электрических «копилках» — аккумуляторах.

Каждый дымоход, каждую трубу с горячим или просто {53} теплым газом, с чуть нагретой сточной водой можно одеть в кольца из батарей полупроводниковых термоэлементов. Когда мы сделаем эта, бросовое тепло, преобразованное в электрический ток, станет двигать машины, питать энергией приборы, освещать улицы. Оснастив термобатареями котельные жилого дома, мы сможем в придачу к теплу получить столько электроэнергии, сколько требуется на все бытовые нужды — в том числе на электроплитки, холодильники, пылесосы — всем обитателям квартир.

Шоферу или владельцу автомобиля, попавшему в какой-нибудь глухой уголок, порой немало хлопот доставляет зарядка аккумуляторов. Полупроводники избавят его от этой заботы. Ведь отработанные газы автомобильного двигателя довольно сильно нагреты. И если заключить в кольца термоэлементов выхлопную трубу, по которой газ выбрасывается наружу, от них в аккумуляторы потечет ток.

Кто знает, быть может, в будущем, когда полупроводниковых материалов станет много (а к этому стремятся наука и индустрия), заводские трубы станут складывать не из кирпичей, а из полупроводниковых термопар. Внутри трубы — горячий дым, снаружи — прохладный воздух. В полупроводниковых «кирпичах» рождается электроэнергия. Заводская труба играет роль электростанции.

А если доменную печь сложить из термоэлементов? Получится сдвоенное предприятие: домна — электростанция. Конечно, до этого еще далеко. Предстоит найти полупроводники с идеальным сочетанием нужных свойств, сделать их дешевле цемента. Труднейшие задачи! Но каждый день приближает нас к их решению. {54}

ЭНЕРГИЯ ИЗ НЕДР

Давно уже работает наука над прогрессивным способом освоения угольных залежей — подземной газификацией. Вместо того чтобы извлекать уголь из пластов и поднимать его на поверхность, в недра нагнетают кислород и прямо под землей поджигают уголь. Там твердое топливо сгорает, но лишь частично. В процессе горения образуется газ, который сам служит отличным горючим и к тому же ценным химическим сырьем. Этот газ может идти на заводы, химические комбинаты, в наши квартиры.

Подземная газификация экономит огромное количество сил и средств, а главное — избавляет человека от тяжелого подземного труда. Но как много тепла теряется понапрасну! Ведь оно уходит на бесполезный разогрев земных недр!

И вот представьте себе, что скважины, по которым поднимается раскаленный газ из огневых забоев станций подземной газификации, охвачены блоками полупроводниковых термоэлементов. Сколько драгоценной энергии пойдет тогда от пылающего пласта!

Полупроводники будут добывать электроэнергию и из природных источников тепла.

В Башкирии, на реке Юрюзань, один из прибрежных холмов окрестные жители называют Яган-тау — Горящей горой. Это название оправдано. В глубине холма тлеют сланцы, и из щелей бьют струи горячего пара. Чтобы превратить такой холм в электростанцию, достаточно забить в него сваи из полупроводников.

Получив обилие этих замечательных материалов, мы преобразуем в электроэнергию и тепло горячих гейзеров, подземных вод и газов, наконец, само солнечное тепло. Здесь полупроводники открывают поистине необозримые перспективы. Мы еще будем говорить о них дальше.

А сейчас вернемся к нашей термопаре, чтобы рассказать о ее другой интересной особенности.

{55}

ЭЛЕКТРОННЫЙ МОРОЗ

Идея полупроводниковых термоэлектрогенераторов зародилась в Ленинграде, в лаборатории полупроводников Академии наук СССР, которая впоследствии была преобразована в Институт полупроводников Академии наук СССР. Здесь возникла и другая мысль: создать на основе полупроводников новые оригинальные холодильные устройства.

Мы знаем, что если один конец термопары нагреть, а другой охладить, то в ней рождается электроэнергия. Оказывается, существует и обратный эффект: пропустите через термопару постоянный ток, и с одной стороны она начнет нагреваться, а с другой — остывать.

На холодном спае появляется иней, лед.

^{Стопа полупроводниковых охлаждающих батарей.}

{56}

В применении к металлам это явление открыл в 1834 году французский физик Жан Пельтье. Год спустя петербургский академик Э. X. Ленц на спае стерженьков из сурьмы и висмута заморозил электрическим током каплю воды. Но лишь в наши дни удалось найти полезное применение этого интересного явления. Дело в том, что в полупроводниковых термопарах эффект Пельтье проявляется очень резко — несравненно сильнее, чем в металлах.

ХОЛОДИЛЬНИК БЕЗ МОТОРА

Несколько полупроводниковых термопар соединили последовательно и сложили в плитку. Включили ток. Наверху плитка охлаждается, внизу разогревается. Сделали другую такую же плитку. Включив и в нее ток, положили на первую, причем теплыми спаями вниз. Эти спаи остывают в холоде нижней плиты, а наверху второй плитки возникает еще более сильный мороз. Такую многоэтажную стопу полупроводниковых плит — блоков термопар — очень удобно использовать для получения искусственного холода. Не потребуется никаких двигателей, насосов, жидкостей. А ведь прежде они считались обязательной принадлежностью холодильных установок.

Простота создания электронного мороза открывает ему широкую дорогу в жизнь. Быть может, скоро в ларьках с газированной водой баки будут оснащены стопами полупроводников. Тепло встретят этот новый искусственный холод и продавцы мороженого. Ведь не нужно будет возить издалека тонны льда, твердую углекислоту. Всюду, где есть электроэнергия, появится возможность без хлопот иметь и холод.

Для небольшого домашнего холодильника не понадобится даже стопы, достаточно одной—двух одноэтажных плиток из термопар.

В Институте полупроводников построили уже несколько моделей домашнего электронного холодильника. Вот одна из них:

^{Полупроводниковый холодильник.}

Белый шкаф — такой же, как у всех подобных аппаратов. В задней части его гребень металлических пластин радиатора. С ним соединены нагревающиеся концы брусочков полупроводниковых термопар, чтобы они легче отдавали свое тепло наружу. Такой же гребень (но уже не отдающий тепло, а как бы вбирающий его в себя) смонтирован внутри холодильного шкафа. Его пластины соединены с теми концами полупроводников, которые охлаждаются при прохождении через термопары электрического тока. Сама батарея — небольшая прямоугольная пластинка, составленная из нескольких десятков полупроводниковых брусочков. Вот и все оборудование холодильника,

Он гораздо вместительнее, чем широко известный у нас холодильник завода «Газоаппарат», но вместе с тем в десятки раз надежнее.

Уже разработаны и промышленные конструкции полупроводниковых холодильников. Их размещают в известных шкафах «Газоаппарат» и «Днепр». Эти простые и неприхотливые электроаппараты скоро начнут сходить с заводского конвейера.

ХОЛОДИЛЬНИК ВЫВЕРНУТ НАИЗНАНКУ

Любопытная деталь. Стоит переменить направление тока в элементах холодильника, и он словно вывернут наизнанку. Теперь греется внутренний радиатор, а наружный {58} охлаждается. Так вместо холодильника получается своеобразный духовой шкаф.

Переключением тока мы словно перебрасываем тепло и холод, меняем их местами. Это и понятно. Ведь тогда в термопарах направление движения электронов и дырок обращается в противоположные стороны.

На радиостанциях стоят так называемые кварцевые стабилизаторы частоты — они следят за постоянством длины волны, на которой идет передача. Стабилизатор должен находиться в камере, где температура всегда строго постоянна. Иначе он будет вибрировать то чаще, то реже — в зависимости от перемен температуры. Чтобы не допустить этого, в камеру вводят половину батареи термопар и термистор. Термистор все время измеряет температуру и, если она почему-либо понизится, немедленно дает электрическую команду на реле, которое включает ток в термопару. А если температура понижается, направление тока также автоматически меняется на противоположное. Тогда камера начинает нагреваться. Полупроводниковые приборы бдительно следят за температурой в камере.

Подобные термостаты и холодильники нетрудно сделать, если нужно, очень маленькими — с чайный стакан, даже с наперсток. Одни из них спасают от опасного перегрева миниатюрные детали различных аппаратов. Другие охлаждают живые ткани, микроорганизмы, сохраняя их температуру при исследованиях под микроскопом. На основе миниатюрного полупроводникового холодильника, состоящего из одной термопары, удалось построить очень удобный гигрометр — прибор для измерения влажности воздуха.

Итак, электроохлаждение помогает решать множество задач науки.

Но физики стремятся еще более эффективно поставить электроохлаждение и нагревание на службу практике. Высказана идея: создать на этой основе оригинальную отопительно-охладительную систему для зданий.

{59}

ИСКУССТВЕННЫЙ КЛИМАТ

Заглянем в обычный жилой дом будущего. Нам бросятся в глаза узорные металлические решетки под окнами. Это не украшения. Войдем внутрь. В комнатах под подоконниками — такие же решетки. Что же это? Да не что иное, как радиатор полупроводниковых термопар. Через них проходит электрический ток, и пластины в комнате нагреваются. Но вот в помещении стало жарко. Хозяйка квартиры поворачивает выключатель. Теперь ток течет в обратном направлении, и комнатные пластины радиатора начали охлаждаться, вбирая в себя излишнее тепло. Жара быстро спадает. Впрочем, хозяйкам таких квартир, вероятно, не придется заботиться о температуре в комнатах. Заботу эту наши инженеры передадут автоматическим аппаратам на. термопарах и термисторах. В целом доме температура будет поддерживаться всегда на нужном уровне, как в камере кварцевого стабилизатора.

Преимущества такой системы отопления очень велики. Мало того, что она проста и гигиенична (ведь не будет никаких топок, котлов, угля, шлака), она сможет действовать круглый год: зимой отапливать помещение, а летом создавать в комнатах приятную прохладу. Система эта к тому же исключительно экономична. Например, нагрев воздуха на 20 градусов потребует энергии в четыре—пять раз меньше, чем ее расходуется в лучших современных отопительных системах.

Как это можно объяснить?

Оказывается, помещение станет обогреваться не только за счет электрического тока. В какой-то мере тепло будет черпаться снаружи, с улицы, — за счет охлаждения и без того холодного наружного воздуха.

Уличный воздух здесь тоже будет «работать» на отопление — отнимать тепло от наружных радиаторов.

Вдумайтесь в это!

Исстари считалось, что греть может лишь что-то горячее: огонь, солнце. А ока­зы­ва­ется, в полу­провод­никовой тер­мо­ба­та­рее мороз и электри­чес­кий ток спо­собны рождать тепло.

{60}

^{Так может выглядеть отопительно-охладительная система на полупроводниках в жилых домах будущего.}

Овладев полу­про­вод­ни­ка­ми, мы сумеем извлекать пользу даже из зим­ней стужи!

Устройства, о которых вы читали в этой главе, по своему назна­чению не новы.

Давным-давно су­щес­твуют сис­темы машин, пре­об­ра­зующих тепло в электри­ческий ток, есть у нас и холо­диль­ники, и установки искус­ствен­ного климата.

Но все эти знакомые нам техни­ческие устрой­ства отличаются общей

особен­ностью — в них обязательно работают какие-то механизмы: враща­ются валы {61} двигателей, ходят поршни насосов, бегут трансмиссии. А любое механическое движение обязательно сопровождается потерей энергии на трение, износом деталей. За механизмами приходится заботливо ухаживать, то и дело ремонтировать их, заменять испортившиеся части. Неудивительно, что современная техника стремится освободиться от механического движения всюду, где это возможно.

В самых разнообразных областях производства сейчас внедряются процессы, которые президент Академии наук СССР А. Н. Несмеянов метко назвал «безмеханизменными». И наиболее яркими примерами этой новой прогрессивной техники могут служить такие полупроводниковые устройства, как термоэлектрогенераторы, электронные холодильники, их всевозможные сочетания. Это бесспорно предвестники завтрашнего дня нашей индустрии.

{62}