Анна Ливанова - Физики о физиках

«Можно смело сказать, — писал Иоффе, — что полупроводники призваны сделать революцию в технике производства, равную по значению той революции, которую совершило расщепление атомного ядра».

Из всего широкого круга применения полупроводников самого Иоффе больше всего привлекали их энергетические возможности. Энергетика без машин, прямое, без посредников, преобразование тепла или ядерной энергии в электричество, а говоря «научно» — теория термоэлектричества и практика создания полупроводниковых термоэлементов, — такова область приложения сил Иоффе и большой группы его учеников в последние десятилетия.

Что такое термоэлектричество? Из самого названия видно, что это электричество, возникшее за счет теплоты.

Вот схема или простейший тип термоэлемента: соединим в кольцо два проводника из разных металлов. Один контакт оставим при комнатной температуре, а другой будем нагревать. По кольцу пойдет ток.

Открытие термоэлектричества началось с научного курьеза. Полтораста лет назад немецкий ученый Зеебек наблюдал это явление в чистом виде, но не понял или не захотел понять его. Открытый им эффект он назвал «магнитной поляризацией металлов и руд, вызванной разностью температур», всячески подчеркивая связь между теплотой и магнетизмом, не желая замечать истинного виновника этой связи — электрического тока.

Первая четверть XIX века была богата открытиями в области электричества и магнетизма. Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки под действием тока, исследования Ампера, Био и Савара показали, что электрический ток — первопричина магнитных явлений. Действительно, всякий раз, когда течет ток, возникает магнитное поле; поэтому изменение тока при нагревании контакта вызывает изменения магнитного поля. Меняющееся же магнитное поле каждый раз отклоняет магнитную стрелку на угол, соответствующий его величине.

А Зеебеку такое естественное объяснение казалось модным, но ненаучным, и он всеми силами боролся с ним. Он пытался установить связь между теплотой и магнетизмом даже в «планетарном масштабе» и объяснить земной магнетизм разностью температур между экватором и полюсом или между южными вулканами и полярными льдами. «Видимо, эта гипотеза была ближе его сердцу, чем открытие еще одного источника электрического тока», — замечает Иоффе.

Такая предвзятость позиции не помешала, однако, Зеебеку провести скрупулезные экспериментальные исследования большого количества металлов — твердых и жидких, чистых и сплавов, а также минералов и полупроводников, и накопить обширный фактический материал. Примечательно, что наибольший термоэффект был обнаружен как раз у полупроводниковых материалов, но на это никто не обратил внимания ни тогда, ни много позже.

Через двенадцать лет после Зеебека французский часовщик Пельтье наблюдал обратное явление — выделение тепла на границе разнородных проводников при прохождении по ним тока. Но и Пельтье не нашел правильного толкования открытому им эффекту.

В течение чуть ли не столетия интерес к термоэлектричеству появлялся изредка и ненадолго. Были даже построены приборы, однако их коэффициент полезного действия никак не удавалось довести до половины процента, поэтому ни о каком энергетическом использовании их не могло быть и речи. По словам Иоффе, «термоэлектричество снова перешло на задворки курсов физики».

Отчего была такая безнадежность?

Термоэлементы делали из металлов. Теплоносителем в них был «электронный газ» — свободные электроны, двигающиеся внутри кристаллической решетки. Казалось бы, повышение температуры, увеличивая кинетическую энергию электронов, должно привести к большей скорости их движения, то есть к возрастанию электрического тока. На деле такого не получилось. Только квантовая теория металлов объяснила непонятный факт: электроны при больших концентрациях — а в металле их концентрация велика — находятся в так называемом «вырожденном состоянии», когда их энергия почти не зависит от температуры.

Иоффе предложил делать термоэлементы не из металлов, а из полупроводников; электроны в них более тесно связаны с кристаллической решеткой, что влечет за собой иной, чем в металлах, механизм переноса зарядов, то есть иной «механизм» электрического тока.

Природа электропроводности полупроводников была детально раскрыта во многих трудах самого Иоффе и его учеников. Суть ее в том, что в полупроводниках два вида проводимости: электронная и «дырочная». Грубо говоря, электронная проводимость — это обычный электрический ток, движение электронов, а дырочная — движение фиктивных, несуществующих положительных зарядов, по величине равных электронам.

Что такое фиктивный заряд — снова объяснила квантовая теория. В полупроводниках не все нормальные квантовые состояния насыщены электронами. Отсутствие на положенном месте электрона, то есть отрицательного заряда, равносильно присутствию там заряда положительного той же абсолютной величины. Это и есть «дырка». Движение «дырки», то есть перемещение свободного квантового состояния из-за того, что его покидает электрон, соответствует положительному току.

Открытый механизм позволил резко увеличить коэффициент полезного действия термоэлементов. Вот что писал об этом Иоффе:

«Термоэлементы превращают тепловую энергию в электрическую без машин, без сложных конструкций. А если через термоэлемент пропускать электрический ток, то одни концы приборов нагреваются, а другие охлаждаются.

Прямое получение электроэнергии и прямое получение тепла и холода — заманчивые технические задачи, мечта инженерной мысли. Почему же электричество мы все еще производим с помощью паровых котлов, турбин и динамо-машин, а для охлаждения применяем сложные компрессорные устройства?

Дело в том, что пока электротехника ограничивалась для этих целей одними металлами, едва 0,1–0,2 процента затраченной теплоты превращались в электроэнергию, а при наибольших затратах электроэнергии достигалось охлаждение не более чем на шесть градусов.

Полупроводники снимают это ограничение. Так, создаваемые ими термоэдс в сотни раз больше, чем в металлах. Полупроводниковые термоэлементы могут уже использовать 8–9 процентов тепла и охлаждать на 60–80 градусов».

Но если теория полупроводников разработана достаточно полно и хорошо известны закономерности их поведения, то техническое воплощение идеи и прежде всего создание нужных полупроводниковых материалов — дело редкой сложности.

И если можно сказать, что вступление полупроводников в строй есть знамение новой техники, то надо отметить и обратное: лишь новая, нынешняя техника позволяет получить невиданно широкий спектр полупроводников с заранее заданными свойствами.