Что такое полупроводник - Анфилов Глеб Борисович

В одном из цехов Московского завода «Прожектор» прежде тоже можно было видеть такую гирлянду. Зачем?

Представьте себе, что идет испытание прожектора. Высоковольтная испытательная установка находится прямо в цехе. Когда ток включен, проходить близко нельзя: напряжение смертельное — 3000 вольт. И вот, чтобы обезопасить людей, установку окружали гирляндой флажков. Это условный сигнал — не входи в запретную зону.

Только человек, в отличие от волка, не боится флажков. Бывало, понадобилась слесарю отвертка, которая лежала на станке за гирляндой, — и он рисковал, шел в опасное место. Такие случаи происходили нередко. Приходилось испытателям зорко следить за окружающими людьми, всегда быть наготове вовремя выключить ток.  {73} 

Теперь никаких флажков в цехах завода не увидишь. Испытатели перестали нервничать. Они поставили на стражу фотосопротивления.

Свет маленькой лампочки, собранный линзой в узкий луч, передается, как по эстафете, несколькими зеркалами, опоясывает запретную зону и попадает на «кристаллический глаз». Если кто-нибудь войдет на опасное место, он неминуемо разрывает луч — ток, идущий через фотосопротивление, резко слабеет, а вследствие этого немедленно выключается высокое напряжение.

Подобных зрячих автоматов-спасителей теперь сотни.

МАШИНЫ-ЧТЕЦЫ

За столом сидит человек в темных очках. Он совершенно слепой. Но перед ним книга — обыкновенная книга, такая же, как и та, что сейчас раскрыта перед вашими глазами. И слепой читает эту книгу.

Известно, что люди, лишенные зрения, читают на ощупь — пальцами. В книгах, которые издаются для слепых, буквы, цифры, знаки препинания изображаются сочетаниями выпуклых точек. Но теперь слепые могут читать и любой обычный печатный текст — книгу, журнал, газету и т. д.

Над книгой, которая лежит перед человеком в темных очках, вплотную к странице движется вдоль строки небольшой металлический цилиндрик. А рядом укреплена дощечка, на которой покоится рука слепого. Под его пальцем рядком расположены шесть отверстий, из которых то и дело выскакивают кончики металлических стерженьков. Цилиндрик движется вдоль строки, и стерженьки быстро меняют расположение: одни прячутся, другие появляются. Оказывается, конфигурация стерженьков в отверстиях соответствует буквам в книге, над которыми в это время проходит цилиндрик.

{74}

^{Читающая машина для слепых.}

Чем же это достигается?

Когда цилиндрик проходит над той или иной буквой, он освещает ее и через маленькую линзу проектирует ее изображение, как в фотоаппарате, на шесть крохотных фотосопротивлений. В зависимости от очертания букв фотосопротивления освещаются в разном порядке, и поэтому электрический ток, идущий через них, меняется. С каждым из фотосопротивлений связан через реле электромагнит, приводящий в движение один из стерженьков. Касаясь пальцем стерженьков, слепой и читает книгу. Аппарат как бы переводит ее на язык, понятный людям, лишенным зрения.

Чтобы обучиться читать с помощью этого устройства, слепому требуется всего несколько часов. Нетрудно представить себе, с каким восторгом приняли незрячие люди эту замечательную «читающую машину».

Сконструирована и другая система подобного аппарата. В ней фотосопротивления соединены со звуковыми  {75}  электрическими генераторами, создающими звуки разной высоты. Читающая головка-цилиндрик ползет над буквами, фотосопротивления затемняются в разных сочетаниях и включают разные генераторы. Из громкоговорителя слышится нечто похожее на быструю смену простеньких музыкальных аккордов.

Слепой быстро усваивает голоса и особенности «поющих букв». Аппарат как бы читает ему вслух.

Можно без конца писать о других примерах доброй службы фотосопротивлений. Области их применения множатся буквально с каждым месяцем. И используется в таких незамысловатых приборах чувствительность полупроводников к свету — вторая особенность этих материалов.

Впрочем, только ли фотосопротивления могут быть созданы на основе этого свойства?

Вспомните чувствительность полупроводников к теплу. В наиболее простом виде она дала технике термисторы. Но как только ученые скомбинировали электронный и дырочный полупроводники, то же свойство привело к созданию других ценнейших устройств — термоэлементов.

Что, если испробовать подобный путь и в практическом освоении светочувствительности полупроводников? Не поможет ли это еще дальше усовершенствовать «зрение» машин и приборов?

{76}

ЗРЯЧИЕ ПРИБОРЫ

{77}

ЧУДЕСНОЕ ЗЕРКАЛЬЦЕ

На маленький стальной кружок нанесли слой селена. Толщина его такая же, как у лезвия безопасной бритвы. Поверхность селена покрыли тончайшей и потому почти совершенно прозрачной пленочкой золота. От стали и золота сделали наружу металлические выводы. Сверху защитили прибор прозрачным лаком и заключили в пластмассовый корпус с широким круглым окном. Получилось нечто похожее на миниатюрное зеркальце, только тусклое. Это вентильный фотоэлемент — новый светочувствительный полупроводниковый прибор. Он имеет характерную особенность. Если фотосопротивление под действием света увеличивает ток, который поступает извне, скажем, из батарейки, то вентильный фотоэлемент не нуждается ни в какой подмоге. Осветите его — и он сам без всякой батарейки создаст электроэнергию, способную отклонить стрелку гальванометра.

В чем здесь дело?

Оказывается, слой полупроводника сделан здесь как бы двойным. Для изготовления прибора исходным  {79}  материалом послужил селен с дырочной электропроводностью. Именно он составляет нижнюю часть слоя. Но сверху в полупроводник перекочевали атомы из пленки золота. И эта добавка превратила дырочный селен в электронный. В приборе слились воедино два разнородных полупроводниковых слоя. Какую это играет роль?

ЭЛЕКТРОНЫ-«ПОГРАНИЧНИКИ»

Попытаемся выяснить, что происходит на месте соприкосновения электронного и дырочного полупроводников.

Допустим, что мы просто наложили пластинку электронного селена на пластинку дырочного селена. Как только пластинки соединились, электроны, которыми обильно насыщен электронный селен, начали перекочевывать в пограничную область пластинки дырочного селена. Но большое их количество перейти границу не смогло. Почему? Потому, что первые пришлые электроны, скопившись в дырочной пластинке, словно встали на стражу. Своим отрицательным зарядом они отталкивают назад все другие электроны, которые стремятся проникнуть в дырочную область. Одновременно из дырочной области перекочевывают дырки-«пограничники». Они тоже встают на стражу границы, только с другой стороны, и не пропускают через нее дырки из дырочной области. Так на границе образуется запирающий слой.

Такой слой отделяет электронный селен от дырочного и в нашем чудесном зеркальце — вентильном фотоэлементе.

Направим на фотоэлемент луч света. В электронной области полупроводника световой обстрел освобождает новые электроны. Они мечутся, сталкиваются и, не умещаясь в тоненькой области электронного селена, уходят в пленку золота. Иного пути ведь у них нет — в дырочную область дорога преграждена запирающим слоем.

{80}

^{Возникновение запирающего слоя на границе электронного и дырочного полупроводников.}

В результате в золотой пленке накапливается избыток электронов, то есть отрицательный электрический заряд.

Во время светового обстрела в электронной области полупроводника возникает также некоторое количество неосновных носителей тока — дырок (всюду, где электроны покидают собственно полупроводниковый атом). А для дырок пограничный слой совсем не преграда. Ведь они ведут себя как положительно заряженные частицы. Положительный заряд — словно пропуск для прохода через границу. Электроны-«пограничники» свободно пропускают дырки через запирающий слой в дырочную область селена. Там образуется избыток положительного заряда, который накапливается на стальном кружке.