Понятие «полупроводник» возникло, когда бурное развитие электротехники потребовало от ученых и инженеров создания хороших проводников электрического тока и изоляторов, не пропускающих тока даже под действием очень высокого напряжения. В течение долгого времени электрики всячески избегали иметь дело с полупроводниками, ибо они были плохими проводниками и неважными изоляторами. Хотя свойства некоторых полупроводников выпрямлять переменный ток, создавать или изменять электрический ток под действием света и тепла были уже давно подмечены учеными и даже использовались в некоторых практических приборах — выпрямителях, фотоэлементах, фотосопротивлениях и т. д., картина происходящих в них физических процессов вплоть до недавнего времени была совершенно неясна.
|
| «Царица» электроники — электронная лампа уступает первенство полупроводниковому прибору. |
И только около десяти лет назад ученым после долгих упорных поисков и трудов наконец удалось раскрыть тайну поведения полупроводников и впервые создать усилительный полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу.
Это важнейшее открытие сразу выдвинуло науку о полупроводниках на одно из ведущих мест наряду с атомной энергетикой и реактивной техникой.
Первый полупроводниковый прибор представлял из себя кусочек металла германия. Процесс управления движением электронов в нем осуществлялся в ничтожно малом объеме вещества. Поэтому прибор мог быть величиной с пшеничное зерно или горошину. Так как в нем не было нити накала и он не «испарял» электроны, то энергии он потреблял в тысячи раз меньше, чем электронная лампа одинаковой с ним мощности. А так как в нем нечему было «перегорать», то служить он мог очень долго. Некоторые приборы, в самом начале поставленные на испытание срока их жизни, проработали по сей день уже 75-100 тыс. часов и все еще продолжают действовать.
 Радиолокатор тормозит автомобиль
Недавно радиолокационная техника нашла применение и на автомобиле. Перед радиатором такой машины устанавливается небольшая антенна радиолокатора. При появлении на дороге препятствия радиолокатор включает специальное устройство и тормоза в автомобиле автоматически срабатывают. Интересно, что сила торможения зависит от скорости находящегося впереди объекта и собственной скорости машины.
|
Возможности применения этих приборов огромны. Вот несколько примеров.
Радиоприемник с полупроводниковыми приборами вместо радиоламп легко умещается в папиросную коробку. В год для его питания нужно всего несколько батареек по размеру и весу не больше батареек от карманного фонарика. А срок действия таких приборов практически будет равен сроку жизни самого приемника.
В первых конструкциях электронных вычислительных машин насчитывалось до 18 тыс. электронных ламп. Такая машина занимала целое здание и требовала для своего питания электрическую станцию мощностью 350 кВт. Сейчас создана более совершенная и быстродействующая машина, собранная только на полупроводниках. Она занимает площадь обычного письменного стола и расходует всего лишь 200-250 вт электроэнергии.
|
| Работающие на электронных лампах счетная машина, слуховой аппарат, телевизор очень громоздки. Посмотрите, как мало места занимают те же приборы, собранные на полупроводниках: счетная машина стала не больше письменного стола, слуховой аппарат спрятался в обыкновенные очки, телевизор можно повесить на стену, как картину. А полупроводниковый радиопередатчик величиной... с пилюлю помогает врачам исследовать пищевой тракт человека. |
Много страданий и неудобств приносит людям потеря или ослабление слуха. Существует немало типов слуховых приборов-усилителей, состоящих из небольшого микрофона в виде пуговицы, усилителя величиной с коробку от папирос, примерно такой же батарейки и телефона, вставляемого в ухо. Но эти приборы неудобны, стесняют пользующихся ими. Сейчас благодаря полупроводникам стало возможным разместить весь слуховой прибор в оправе очков.
В последних моделях таких очков в верхней части оправы установлены так называемые «солнечные батарейки», собранные из чувствительных к свету полупроводников. В светлое время суток они не только питают усилитель, но и одновременно заряжают крошечный, величиной с пуговицу, аккумулятор, спрятанный в той же оправе. От него прибор питается в темное время суток. Ученые давно работают над тем, чтобы сделать электронно-лучевую трубку телевизора плоской. Когда это удастся, телевизор можно будет... повесить на стенку в виде картины. Собранный на полупроводниках, телевизионный приемник разместится в рамке экрана.
Крошечный полупроводниковый усилитель, вмонтированный в подводный кабель, можно не поднимать со дна океана несколько лет. А полупроводниковый радиопередатчик величиной с лекарственную пилюлю, проходя по пищевому тракту человека, посылает врачам сигналы, по которым они узнают о скорости и характере движения пищи, частоте сокращений стенок желудка и кишок, давлении в них и т. д.
Полупроводниковые приборы расходуют необычайно мало энергии. Недавно был сконструирован небольшой радиопередатчик, действующий на расстояние до 1 км, в котором вовсе нет никаких батарей. Для его работы вполне достаточно энергии... голоса человека.
Измерить температуру до 100° несложно. Труднее измерить температуру выше 250°. Нужны специальные термометры. Ну а как измерить температуру печи, в которой плавят металлы при температуре 1800-2500°?
Здесь на помощь приходят термоэлементы. Составляется пара — спай из самых тугоплавких металлов, например платины и палладия, концы которых выведены к электроприбору. Спай вводится в печь или в расплавленный металл. В приборе создается электрическое напряжение, по величине которого и определяют температуру. Коэффициент полезного действия таких приборов был очень мал.
С открытием новых полупроводниковых материалов отдача термоэлементов стала неуклонно увеличиваться. При к.п.д., равном 4-5%, уже можно,, соединив множество таких термоэлементов, создать термобатареи, способные питать обычный батарейный радиоприемник или колхозную передающую радиостанцию. В дни Великой Отечественной войны кипящие котелки, в дно которых были встроены такие термобатареи, питали электрическим током партизанские приемно-передающие радиостанции. А недавно в Институте полупроводников Академии наук СССР в Ленинграде сконструировали печь-термобатарею, дающую ток, достаточный для обеспечения электроэнергией нужд небольшого дома.
Принцип устройства термобатареи несложен. Множество термоэлементов собрано в батарею так, чтобы одни спаи нагревались до высокой температуры, а другие охлаждались. Напряжение и сила тока такой батареи зависят от того, сколько групп термоэлементов соединено параллельно (больший ток) и сколько — последовательно (большее напряжение).
|
| Схема устройства полупроводникового термоэлемента. Под действием тепла на одном из полюсов прибора накапливаются положительные электрические заряды, на другом — отрицательные. |
Самые последние работы советских ученых позволили увеличить к.п.д. полупроводниковых термоэлементов до 7-8%. А здесь уже можно и помечтать!
Человеческий глаз видит только узкий участок светового спектра — электромагнитные колебания очень высокой частоты, от темно-фиолетовых до темно-красных лучей. Большей части лучей он не видит: ультрафиолетовых — с одной стороны спектра, инфракрасных, или тепловых, — с другой. А ведь каждое нагретое тело излучает невидимые тепловые лучи. Чем выше температура тела, тем ближе к видимому становится это излучение. Вспомните, как меняется цвет накаляемого железа в видимой части спектра — от темно-вишневого до желто-белого и даже синеватого.
И если бы глаз человека был чувствителен только к тепловым лучам, мы наблюдали бы удивительную картину: все вокруг нас светилось бы — люди, внутренние части комнат, стены, крыши. Особенно ярко светились бы утюги, радиаторы отопления, печи. Ослепительно сияли бы паровозы, двигатели, фабричные трубы. Мы бы собственными глазами увидели и, возможно, по-иному отнеслись к величайшему расточительству энергии. Ведь буквально на ветер выбрасывается от 70 до 90% всего тепла, которое мы получаем, сжигая топливо.
Теперь представим себе, что все части бесполезно нагреваемых предметов со всех сторон обложены батареями термоэлементов с к.п.д., равным хотя бы 10%. Какое огромное количество тепла, а с ним и человеческого труда пойдет на пользу людям! Ведь даже самый современный паровоз имеет к.п.д., равный всего 6-8%!
Огромными термобатареями можно будет окружить вулканы, или погрузить их внутрь Земли на глубину, где всегда царит высокая температура, или же нагревать их в пустыне палящими лучами Солнца.
|
| Огромное количество энергии, бесполезно теряемой сейчас на «нагревание улицы», возвратилось бы людям, если бы печи, трубы, котлы можно было окружить батареями термоэлементов. |
Вот что значит полупроводниковый термоэлемент, сейчас лишь скромно начавший свой путь служения на благо человечеству!
Но на этом чудеса полупроводников не кончаются. Еще в 1834 г. французский естествоиспытатель Жан Пельтье открыл, что если пропускать электрический ток через цепь, составленную из двух медных и одного железного проводника, то один спай будет выделять тепло, а другой — поглощать его. При этом чем больше нагревается один спай, тем сильнее охлаждается другой.
Русский физик Э. X. Ленц нашел комбинации металлов, при которых нагревание одного спая сопровождалось таким охлаждением другого, что находившаяся на нем капля воды замерзала. Это явление часто демонстрировали на лекциях как занимательный физический курьез. Все исследованные комбинации металлов больше, чем замораживание небольшой капельки воды, дать не могли.
Советский академик А. Ф. Иоффе, один из основоположников современных представлений о физике твердого тела и полупроводников, исследовал это явление. Вскоре была создана установка для получения таким путем довольно низких температур. Это — батарея, собранная из полупроводниковых элементов. При прохождении электрического тока они дают максимально возможную разность температур на противоположных спаях. «Холодные» спаи находятся в закрытом пространстве, например в камере холодильника, а «горячие» — снаружи. При этом расход электроэнергии значительно меньше, чем у теперешних обычных комнатных и промышленных холодильников. Если количество элементов и пропускаемый через них ток достаточно велики, а тепло отводится от «горячих» спаев интенсивно, то температуру внутри холодильника можно понизить до —60°. В биологии и медицине для исследования клеток живой материи очень важно иметь тончайшие, толщиной в доли микрона, срезы тканей мозга, печени, сосудов. Чтобы получить такой срез, ткань нужно заморозить. Это делают с помощью микротомов. Это тяжелые, сложные и громоздкие установки, замораживание в них идет медленно, клетки тканей за это время в какой-то степени изменяются.