Что такое полупроводник

{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.

Теоретически возможно создание вентильных фотоэлементов с коэффициентом полезного действия 40—50 процентов.

Каким целям будет служить световая энергетика будущего?

Вероятнее всего, на первых порах это будет энергетика малых форм. Солнечные батареи появятся в колхозах и МТС, геологи и туристы станут брать их в экспедиции, моряки оборудуют ими свои суда.

Вот мечта одного из героев научно-фантастической повести В. Немцова «Осколок солнца».

«Представьте себе, Лидия Николаевна, — рассказывал он, прикалывая к чертежной доске бумажный лист и рисуя на нем толстым синим карандашом. — Это вот вагончик трактористов. Видали, наверное, такие? Трактористы привезли с собой большой рулон специально обработанной ткани или пленки, на которой напечатаны — да, да, напечатаны! — фотоэнергетические ячейки со всеми необходимыми соединениями. Рулон этот разматывается прямо на земле, и — пожалуйста! — походная электростанция готова к работе. Она заряжает аккумуляторы, питает радиостанцию, электроприборы, все, что хотите. Такую пленку можно расстелить возле избушки лесника, бакенщика, высокогорной обсерватории, у зимовщиков Арктики, где угодно. Из этой ткани можно шить палатки. Вот она, свернутая, за плечами альпиниста... Поймите, что это значит, когда мы получим миллионы метров фотоэнергетической ткани! В магазинах ее будут резать ножницами, как простую клеенку. Заплатили за десять метров — и у вас уже собственная электростанция, без всяких бензиновых движков и генераторов. Разве это не чудо?»

{94}

ЛУЧ ЗА РАБОТОЙ

Солнечный луч можно заставить подавать воду для орошения. Чем беспощаднее будет жечь солнце, иссушая почву и посевы, тем энергичнее станут работать электронасосы, {95} соединенные со щитами солнечных батарей. Солнце и согреет землю и снабдит, ее животворной влагой. Ведь вода есть почти везде, нужно только поднять ее, направить на поля.

От солнечных батарей будут действовать электродвигатели кранов, лебедок, подъемников. На строительные площадки не потребуется тянуть линии электропередач.

Недавно в Швейцарии и других странах начали делать настольные часы, которые заводятся светом. Пробыв несколько часов на свету (даже слабом, комнатном), часы идут много суток, не требуя завода. Заводной механизм приводится в движение электродвигателем, который черпает энергию от аккумуляторов, связанных с чутким вентильным фотоэлементом.

В 1955 году американские инженеры сделали попытку использовать солнечную энергию для движения модели своеобразного электрического автомобиля. На крышу экипажа, которому конструкторы дали название «солнце-мобиля», уложили двенадцать вентильных фотоэлементов. Они заряжали энергией аккумуляторы. А оттуда электрический ток шел на питание электродвигателя. Опыт удался. Модель поехала без всякого горючего, только потому, что на нее светило солнце!

Может показаться, что этот любопытный экипаж, который смахивает на пресловутый «вечный двигатель», не более, как технический курьез, игрушка. И верно, он слабосилен — даже в самое солнечное время мощность, собираемая им «с неба», раз в тридцать меньше мощности «Москвича». Поэтому даже в будущем, когда вентильные фотоэлементы достигнут высокого совершенства, солнце-мобили едва ли найдут сколько-нибудь значительное применение как полноценное транспортное средство. С обычными автомобилями они конкурировать не смогут. Однако солнечная батарея станет отлично служить аварийным источником энергии. Если в автомашине израсходуется бензин, до заправочной колонки она «дотянет на солнечных {96} лучах», улавливаемых щитом вентильных фотоэлементов, уложенным на крыше автомобиля.

В колхозах, на заводах, на вокзалах солнечные повозки удобно будет применять для перевозки небольших грузов. Ведь две — три лошадиные силы — это в конце концов не так уж мало. К тому же во время простоев энергия может накапливаться в аккумуляторах. Солнце-мобиль будет набирать запас мощности и во время стоянок. Эта чудесная «электрическая лошадь» будущего станет весь день «питаться светом»!

Подсчет показывает, что энергии, создаваемой солнечными батареями, хватит для того, чтобы привести в движение речную самоходную баржу — ее крыша имеет вполне достаточную площадь, освещаемую солнцем.

Еще одно увлекательное применение солнечных фотоэлементов — на грядущих межпланетных кораблях. Ведь свет — источник энергии, который не нужно брать в космический полет с Земли. Корабль будет лететь перед незаходящим солнцем, в мощном световом потоке. И если оснастить ракету фотоэлементами с коэффициентом {97} полезного действия всего в 10 процентов, то с 10 квадратных метров их освещенной поверхности приборы за трехмесячное путешествие соберут столько энергии, сколько могла бы дать тонна горючего, взятого с Земли. А для того чтобы разогнать эту тонну до космической скорости при старте корабля, на нем пришлось бы сжечь еще несколько десятков тонн горючего.

Вездесущий солнечный свет, пойманный полупроводниками, уменьшит вес ракетных кораблей.

А как бы было заманчиво покрыть щитами солнечных батарей хотя бы часть пустынь, выжженных степей и других земель, негодных для сельского хозяйства! Ведь 3—4 квадратных километра южной пустыни, покрытые щитами фотоэлементов, могли бы дать почти столько же энергии, сколько вырабатывает в среднем знаменитая Куйбышевская ГЭС! А в пустыне не только свет ждет превращения в электрический ток. Термобатареи и инфракрасные фотоэлементы, установленные под световыми фотоэлементами, преобразовали бы в электроэнергию и значительную долю солнечного тепла.

{98}

Быть может, через несколько лет, когда успехи учения о полупроводниках воплотятся в индустриальные сооружения, когда солнечные батареи удастся сделать простыми и дешевыми, — щитами фотоэлементов, блоками термогенераторов люди оденут горные склоны, крыши и стены домов, заводов. По бесплодным пустыням протянутся от горизонта к горизонту ряды ловушек света и тепла. Солнечными лучами, преображенными в электрический ток, человек будет поднимать воду, тянуть электропоезда, двигать машины на заводах.

ЛУЧ И ЛИСТ

Любое топливо — детище растительного мира либо современного, либо давно умершего, жившего десятки и сотни миллионов лет назад.

А из чего сделано растение?

Из земли, воды и воздуха.

В самом деле, ведь только этими материалами располагает природа, создавая свои зеленые творения!

Но мало иметь материалы для какого-нибудь изделия. Чтобы построить дом, недостаточно привезти на строительную площадку кирпич, цемент, железо, — надо еще поработать, чтобы задуманное стало явью. А поработать — это значит затратить какую-то энергию. На строительной площадке лопасти бетономешалок, стрелы кранов, лебедки подъемников движет электричество. А растение? Откуда оно черпает энергию? Какая сила вызывает в нем соединение атомов и молекул?

Эту энергию растение получает, поглощая зелеными листьями солнечный свет. Нет света — растение гибнет. В клеточках живого листа свет вызывает важнейший процесс — фотосинтез, источник всей жизни на Земле.

Световая энергия, поглощенная живым зеленым листом, словно консервируется в растении. И каждое органическое вещество в какой угодно форме — будь то яблоко {99} или пшеничное зернышко, штабель дров или копна сена, глыба угля или торфяной брикет — мы вправе назвать концентратами лучистой солнечной энергии.

Горит уголь — освобождается солнечная энергия, поглощенная некогда древними папоротниками.

Но растение усваивает и накапливает лишь крошечную долю света — меньше 1 процента. Потому-то так много времени нужно, чтобы вырастить леса. Поэтому так скудны запасы ископаемого топлива на Земле.

НОВЫЕ ДАРЫ СОЛНЦА

А нельзя ли обойтись без растений, создавая органическое сырье? Нельзя ли, минуя растения, прямо из воздуха, воды и минеральных веществ вырабатывать топливо, пластмассы, сахар?

Писатель А. Куприн в рассказе «Жидкое солнце» фантазировал о том, как «из простых элементов, входящих в воздух, составлять вкусное, питательное и съедобное, почти бесплатное вещество».

Давно уже волнует и ученых такая проблема — воспроизвести искусственно процесс, подобный фотосинтезу, но более эффективный, и в итоге получать органическое сырье в десятки, в сотни раз быстрее, чем оно накапливается в природе в процессе естественного фотосинтеза.

Конечно, этот смелый замысел не сразу будет воплощен в жизнь. Сначала предстоит во всех тонкостях раскрыть взаимодействие света с органическими соединениями. И вот что важно здесь для исследователя: многие из таких соединений — полупроводники, и световой луч вызывает в них электронные процессы.

Работа в этом направлении ведется, и уже есть первые результаты. Ленинградский ученый — академик А. Н. Теренин на одной из научных конференций по полупроводникам {100} рассказал об итогах исследований в области фотоэлектроники органических красителей. Например, освещая твердые пленки красителей или окрашенные порошкообразные полупроводники, удалось вызвать превращения световой энергии, похожие на процессы, происходящие в вентильных полупроводниковых фотоэлементах. Эти фотоэлектрические явления представляют собой не что иное, как искусственное осуществление первого этапа фотосинтеза вне живого листа.

Конечно, здесь еще больше нерешенного, загадочного. Осуществить второй этап фотосинтеза, то есть направить электроэнергию, рожденную в веществе светом, на создание новых соединений, пока не удалось. Но перед пытливым взором ученого-творца, не боящегося смелой мечты, раскрывается уже картина будущего.

Мы не знаем еще, какой облик получат установки для «консервирования» солнечных лучей. Но призовем на помощь фантазию.

Под потоками солнца протянулся мелкий, но широкий канал. По нему медленно течет черная жидкость. Это вода, смешанная с неведомыми пока добавками — катализаторами, красителями. Жидкость почти полностью поглощает солнечный свет и приобретает способность словно вбирать в себя из воздуха углерод, а возможно, и азот. В конце канала жидкость заметно густеет, превращаясь в тяжелую, желеобразную массу искусственного органического вещества. Ее тут же режут на куски, выгружают из канала и отправляют на химический завод для переработки.

Быть может, человек станет так создавать тысячи и миллионы тонн нового, извлеченного из воздуха топлива, получать обилие небывало ценного сырья для промышленности.

Чуть ли не стопроцентное освоение богатств лучистой энергии солнца — вот к чему стремится наша наука!

{101}

СВЕТ «ПРО ЗАПАС»

Итак, вентильные фотоэлементы исполнили мечту нашего детства. Они «поймали» свет, тут же превратили его в электроэнергию и пустили в работу. Слов нет, это замечательно. Однако не только об этом можно мечтать, если дать волю фантазии.

Дон-Кихот, обращаясь к воображаемой поклоннице, обещал подарить ей «солнечные- лучи, в стеклянный сосуд уловленные». Пустое хвастовство? А между тем, как это было бы удобно: днем поймать солнечные лучи, спрятать их в какую-нибудь банку, а вечером выплеснуть их наружу — пусть освещают улицу! Что ж, оказывается, и эта фантастика с приходом полупроводников стала возможным делом.

Есть среди полупроводниковых материалов такие, в которых атомы способны днем поглощать световую энергию, а ночью излучать ее. Поглощая фотоны, атомы таких веществ, как говорят физики, возбуждаются — накапливают в себе избыток энергии. А спустя некоторое время они освобождаются от излишка, в свою очередь выбрасывая фотоны.

Подобные вещества известны и применяются давно. Большим успехом пользуются, например, елочные украшения, которые в темноте сияют светом, набранным «про запас».

Однако есть у таких веществ один недостаток. Если уж они побыли днем на свету, ночью {102} обязательно будут светить — хотим мы этого или не хотим. А что, если заставлять их отдавать запасенный свет по команде? Оказывается, этого можно добиться.

Атомы некоторых полупроводников способны хранить в себе накопленную на свету энергию до тех пор, пока мы не воздействуем на них слабым электрическим сигналом.

Поясним это на простой аналогии. Представьте, что у вас в руках игрушечное ружье с пружиной. Чтобы зарядить ружье, вы сжимаете пружину, а перед выстрелом — отпускаете ее, чуть тронув спусковой крючок. Так вот: атомы, о которых мы говорили, как бы заряжаются под воздействием света. А когда мы слегка тронем их электрическим полем, они разряжаются и словно стреляют светом.

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}