Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

Испокон веков работала на человека лошадь. А потом человек построил взамен нее машины: автомобиль, трактор... Они сильнее лошади в десятки раз: и везут быстрее и груза берут несравненно больше. Но у лошади есть великое достоинство — зрение.

Где-нибудь в старой Москве садился ямщик на облучок, дергал вожжу и поглядывал себе по сторонам. Лошадь сама дорогу видела. Вот и задумался человек: надо, чтобы у машины тоже были глаза.

В одном из научно-фантастических рассказов описан «зрячий» автомобиль. Он сам останавливается перед красным огоньком светофора, при зеленом свете трогается в путь, объезжает препятствия и даже тормозит перед зазевавшимся прохожим. Вот это машина! Шофер на ней чувствовал бы себя не хуже, чем ямщик с отлично выдрессированной лошадью. А может, шофер и не понадобился бы вовсе. В том же рассказе «зрячий» автомобиль самостоятельно совершает долгое путешествие.

В этой фантастике нет ничего несбыточного. Давно известны фотоэлементы — «электронные глаза» машин. {65} С применением полупроводников они становятся удивительно простыми и дешевыми.

Идея электрического зрения зародилась еще в прошлом веке. И прежде всего техника получила от физики так называемые вакуумные фотоэлементы. Начало их созданию положил своими исследованиями видный русский ученый А. Г. Столетов.

Много труда потратили ученые, чтобы постичь загадки самого, казалось бы, ясного явления в природе — света. Лишь полстолетия назад секреты его удалось раскрыть.

Природа света оказалась двоякой.

Не вдаваясь подробно в сложнейшую физическую сущность, укажем только, что, с одной стороны, свет — волновое движение электромагнитного поля (те же радиоволны, только очень короткие). С другой стороны, свет — поток частиц фотонов. Получается, что, освещая предмет, мы словно обстреливаем его своеобразными сгустками электромагнитных вибраций.

Что происходит, если такая «пуля света» ударяется о поверхность металла или полупроводника? Она может отдать свою энергию электронам вещества. Некоторые из них при этом получают настолько сильные толчки, что вырываются прочь из вещества — улетают в окружающее пространство.

Представьте себе несложный прибор. В стеклянный, освобожденный от воздуха баллончик впаяны две металлические пластинки. Две проволочки соединяют их с электрической батарейкой.

Пошлем световой луч на катод — пластинку, соединенную с отрицательным полюсом. Из нее начнут вылетать электроны. Но как только они покинут металл, их немедленно подхватит электрическое поле и понесет к {67} положительно заряженной пластинке — аноду. Пока катод освещен, через прибор летят электроны. Электрический ток рожден лучом.

Описанный нами прибор — не что иное, как простейший вакуумный фотоэлемент.

Есть у вакуумного фотоэлемента важная особенность — он действует исключительно быстро. Этот «стеклянный глаз» на освещение мгновенно отзывается толчком электрического тока. Вот почему прибор служит всюду, где требуется частые световые вспышки превратить в электрические колебания.

Например, в киноаппарате звукового кино неуловимо быстро пробегают полоски «звуковой дорожки». Фотоэлемент преобразует их мелькание в пульсации тока, и в громкоговорителях звучит музыка.

На экране телевизора танцует балерина. Глядя на нее, вы тоже пользуетесь услугами «стеклянного глаза». В студии перед артисткой установлена передающая телевизионная трубка — своеобразный вакуумный фотоэлемент. Каждую секунду в нем возникают миллионы электрических импульсов, в которых и запечатляется изображение.

Итак, вакуумный фотоэлемент очень расторопен. Но зато он подслеповат. Его чувствительность к свету не удовлетворяет технику. К «стеклянному глазу» волей-неволей приходится добавлять ламповые усилители, а это удорожает и ограничивает его практическое применение.

Изобретатели приложили много остроумия и выдумки, желая увеличить чувствительность прибора. Катод фотоэлемента покрывали специальными веществами, в баллон вводили газ, придумали даже хитроумные умножители электронов. {67}

И все-таки «стеклянный глаз» не приобрел достаточной чувствительности к свету. Да и не только в этом видели инженеры недостатки прибора. Как и всякое стекло, он был хрупок, не очень долговечен, неэкономичен. Плохо чувствовал себя нежный стеклянный прибор в машине, около грохочущих валов и шестерен. Трудно было приспособить его к работе в заводском цеху.

Много бились над усовершенствованием «стеклянного глаза», но решающих успехов достичь так и не удалось.

Между тем еще восемьдесят лет назад было открыто явление, подсказывающее выход из создавшегося положения.

Для одной из своих работ английский физик Уиллоу-бай Смит подыскивал материалы с большим электрическим сопротивлением. Ученый перепробовал множество веществ и в конце концов решил остановиться на палочке из полупроводника — селена.

Смит включил селеновую палочку в свою электрическую схему. И спустя некоторое время произошло непонятное: внезапно ток в цепи резко возрос. Ученый проверил, нет ли где короткого замыкания. Все оказалось в порядке. И вдруг он заметил: на селеновую палочку падает из окна золотистое пятнышко солнечного света. Неужели это оно так изменило электропроводность? Смит загородил луч рукой — и ток уменьшился. Виновник был найден!

Ученый сообщил об открытии своим коллегам, и вскоре было создано первое селеновое фотосопротивление. Идеально простой прибор — маленький кусочек полупроводника — оказался в десятки раз более чувствительным к свету, чем человеческий глаз!

Как и многое в физике полупроводников, изобретение фотосопротивления вначале не вызвало интереса. О нем {68} быстро забыли и вспомнили лишь через полстолетие, когда удивительная способность селена «чувствовать» свет была открыта заново.

За последние десятилетия исследователи нашли множество полупроводников, обладающих в той или иной мере замечательным свойством селена.

Удалось подробно выяснить и сущность их взаимодействия со светом. Все там получается куда проще, чем в баллоне вакуумного фотоэлемента.

Очередь «световых пуль» вонзается в толщу полупроводника. Там фотоны растрачивают свою энергию на освобождение электронов из плена атомов, на создание дырок.

Наверху — схема конструкции селенового фотосопротивления: 1 — селен; 2 — штырьки на стекле; 3 — электроды Внизу — внешний вид фотосопротивлений, выпускаемых отечественной промышленностью.