Реферат: Полупроводники в современной физике и технике
6. Введением примесей можно повысить электропроводимость кристаллов.
Но одновременно появляется и окраска, так как свет меньшей частоты может теперь поглощаться, переводя электроны примесей на свободные уровни или, наоборот, переводя нормальные электроны кристалла на уровни энергии, принадлежащие примесям.
7. Материалы, непрозрачные для всех видимых лучей, вплоть до красных (фотонов с энергией 1.5 эВ), наоборот, часто обладают значительной проводимостью, в особенности если в них имеются примеси. Возможно, впрочем, поглощение света и без фотоэффекта.
Таким образом, наряду с металлами и изоляторами, мы изучаем сейчас громадное разнообразие электронных проводников промежуточного типа — полупроводников.
Интерес к ним возрос не только потому, что, воздействуя на них светом, теплом, сильными электрическими полями или вводя примеси, мы можем в самых широких пределах изменять их электрические свойства и изучать поведение электрических зарядов в твердом теле. За последние 10 лет полупроводники получают все более растущие технические применения благодаря двум присущим им свойствам: выпрямлению и появлению электродвижущих сил при освещении. Эти свойства используются в выпрямителях переменного тока и твердых фотоэлементах.
Выпрямитель из закиси меди состоит из медной пластины, на которой окислением при температуре около 1000 °С создается хорошо проводящий слой закиси меди. При этом между медью и закисью появляется слой плохо проводящей закиси толщиной в миллионные или стотысячные доли сантиметра. Различие в проводимости обоих слоев закиси вызвано тем, что в проводящем слое имеется большой избыток кислорода (до 1%), который снижает его удельное сопротивление до 100 Ом-см2 , тогда как тонкий прилегающий к меди слой чистой закиси обладает удельным сопротивлением около 1010 Ом · см2 .
Сопротивление такой системы резко меняется в зависимости от направления тока. При одинаковой приложенной к выпрямителю разности потенциалов в 1, 2 или 3 В мы наблюдаем токи в несколько ампер, когда медь служит отрицательным электродом, т. е. когда электроны идут из меди сквозь тонкий слой чистой закиси в насыщенную кислородом и хорошо проводящую закись меди. В обратном направлении при тех же напряжениях в 1— 3 В токи составляют лишь несколько миллиампер. Первое направление тока называется пропускным, второе — запорным, а тонкий слой закиси получил название запорного слоя. Отношение пропускного тока к запорному при одинаковых напряжениях носит название коэффициента выпрямления. В хороших технических выпрямителях оно достигает 10 000.
Существовало несколько объяснений работы выпрямителя. Все они исходили из того, что электроны легче проходят сквозь запорный слой, когда они идут из металла, где их много, чем из закиси меди, где их мало. Прохождение электронов мы с Я.И. Френкелем приписывали тому, что тонкий запорный слой становится прозрачным в сильных электрических полях, создаваемых уже напряжением в 1 В. В самом деле, толщина этого слоя всего несколько миллионных сантиметра, следовательно, поле достигает нескольких десятков или сотен тысяч вольт на 1 см. Пропускной ток ван Гель приписывает вырыванию электронов из металла этим сильным полем.
Однако при ближайшем изучении других выпрямителей все эти представления оказались неверными. В лаборатории Ленинградского физико-технического института были созданы искусственные выпрямители, состоящие из полупроводника, нанесенного на него испарением в пустоте тонкого непроводящего слоя и металлического электрода. Позже такие же опыты были развиты в Германии.
Оказалось, что при толщине запорного слоя около одной миллионной сантиметра коэффициент выпрямления достигает наибольшего значения; при этом запорный слой может состоять из любого непроводящего материала — кварца, шеллака, тонкой слюды. Самым неожиданным образом выяснилось, что знак выпрямления меняется в зависимости от применяемого полупроводника. В закиси меди, селене, сернистой меди пропускной ток течет, когда металл служит катодом. В окиси цинка, окиси алюминия, наоборот, пропускной ток наблюдается, когда металл служит положительным полюсом. Первые материалы являются полупроводниками с позитронной проводимостью, а вторые — обладают электронной проводимостью.
Таким образом, знак выпрямления зависит не от металла и не от свойств запорного слоя, а от механизма проводимости полупроводника. На границе с металлом всегда имеется достаточное число как электронов, так и свободных положительных мест при любом направлении тока. Наоборот, на границе между полупроводником и запорным слоем условия перехода зарядов резко зависят от направления тока.
Если ток в полупроводнике переносится электронами, то сильный ток может поддерживаться только в том случае, когда полупроводник служит катодом и электроны из него поступают через запорный слой в металл. При обратном направлении тока электроны, уходя от пограничного слоя, создают здесь плохо проводящую прослойку, запирающую ток.
Когда мы имеем полупроводник, в котором перемещаются свободные положительные места (такими, как оказалось, и являются материалы технических выпрямителей — закись меди, селен, сернистая медь), для пропускного тока полупроводник должен быть анодом. Тогда он доставляет к границе запорного слоя положительные заряды, переносящие ток в отрицательно заряженный металл.
Существуют полупроводники, в которых мы можем по произволу создавать электронную или позитронную проводимость, вводя в них те или другие примеси. В этих случаях и знак выпрямления меняется с изменением механизма проводимости. В тесной связи с твердыми выпрямителями стоят и твердые фотоэлементы. Здесь также обязательным условием является присутствие запорного слоя, но, кроме того, необходимо, чтобы материал фотоэлемента обладал внутренним фотоэффектом. По отношению к знаку фотоэлемента, как и в случае выпрямления, сначала существовали неправильные представления. Казалось, что вырванные светом электроны, проникая сквозь запорный слой, заряжают металл отрицательным зарядом. Этот знак и наблюдался в первых технических фотоэлементах из закиси меди и селена, в которых, как мы уже знаем, имеет место ток замещения. Оказалось, однако, что в новых фотоэлементах из сернистого таллия, созданных в ЛФТИ, знак фототока обратный — металл заряжается положительно. Тот же знак наблюдался в фотоэлементах из сернистого серебра, осуществленных в Киеве в Физическом институте Украинской Академии наук. В обоих случаях мы имеем дело с электронным механизмом проводимости. Впрочем, сернистый таллий можно сделать и проводником с положительными зарядами, насытив его избытком серы; тогда при освещении металл заряжается отрицательно.
Разница между двумя типами фотоэлементов из сернистого таллия не ограничивается знаком фотоэффекта. В то время как при обычном знаке фотоэффекта чувствительность фотоэлемента к свету имеет такие же значения, как и в ранее известных элементах из закиси меди и селена, а именно несколько сот микроампер на один люмен падающего света, серноталлиевые фотоэлементы с положительным знаком фотоэффекта дают до 8000 мкА на люмен и оказываются чувствительными к невидимым инфракрасным лучам.
Какимобразом свет, вырывающий отрицательные электроны, может заряжать металл положительными зарядами? Это легко понять, если вспомнить, что, вырывая электроны из полосы нормальных уровней, свет освобождает там свободные места, создает положительно заряженные подвижные участки, на которые и переходят электроны из металла. Отдавая же свои электроны полупроводнику, металл заряжается положительно.
Если бы не существовало запорного слоя, фотоэлектрический ток не мог бы создать заметной разности потенциалов между металлом и полупроводником. Включение между ними такого тонкого слоя, который, пропуская электроны, обладает в то же. время достаточно большим сопротивлением, обеспечивает разность потенциалов, равную произведению силы фототока на сопротивление запорного слоя.
Таким образом, твердый фотоэлемент с запорным слоем создает не только ток, но и электродвижущую силу, достигающую 0.3 В; следовательно, такой фотоэлемент является источником электрической энергии, получаемой за счет энергии поглощенного света.
Каков же кпд фотоэлемента? В фотоэлементах из закиси меди и селена он составляет для солнечного света несколько сотых и до 0.1%. В фотоэлементах из сернистого таллия кпд приближается к 1% При ярком освещении фототоки здесь достигают 0.1—0.2 А. Но даже кпд в 1% не дает еще оснований для практического использования солнечной энергии. На 1 м2 поверхности солнце дает до 1 кВт мощности; следовательно, фотоэлемент площадью в 1 м2 в солнечные дни мог бы создавать ток мощностью в 10 Вт. Этот выход энергии не может оправдать громадной стоимости такого фотоэлемента, соответствующею 1000 обычных элементов.
Но если на данном этапе фотоэлементы не могут быть использованы для превращения солнечной энергии в электрическую, то нельзя отрицать такой возможности в будущем. Дальнейшее развитие фотоэлементов может довести их кпд до нескольких процентов. С другой стороны, стоимость их изготовления и устойчивость по отношению к атмосферным влияниям могут быть настолько улучшены, что фотоэлемент с запорным слоем может оказаться выгодным. Не надо забывать, что количество солнечной энергии чрезвычайно велико: 1 га получает 10 000 кВт мощности, а 5% от них составляет 500 кВт — энергию, достаточную для большого завода. Несомненно одно, что достижение этой цели потребует еще преодоления громадных трудностей.
Энергетическое использование солнечных лучей — дело будущего. Но и сейчас фотоэлементы широко применяются в технике; звуковое кино осуществляется при помощи фотоэлементов. Возможно, что фотоэлементы с запорным слоем благодаря своей простоте, отсутствию паразитных токов и шумов, отсутствию высоких напряжений получат преимущество перед применяемыми сейчас вакуумными фотоэлементами с вторичным усилением. Далее, фотоэлементы с успехом применяются для всевозможных случаев сигнализации, для автоматического счета, сортировки, контроля производства. Возможно, что они найдут применение также в телевидении и в самых разнообразных измерительных приборах. Первая система передачи изображений А. Корна была основана на внутреннем фотоэффекте селена.
Во многих кристаллах из полупроводников освещение создает фотоэлектродвижущую силу, достигающую нескольких сотых вольта и без запорного слоя, роль которого играет сопротивление самого кристалла.
И.К. Кикоин и М.М. Носков обнаружили, что, помещая такие вещества в сильное магнитное поле, можно наблюдать эдс, достигающие 20 В, правда, при большом сопротивлении образца и при слабом фототоке. Практического применения эти явления пока не получили.
Мало еще использованы большие термоэлектродвижущие силы, возникающие между двумя полупроводниками с разными температурами. В то время как в металлах 1° разности температур создает эдс порядка стотысячных вольта, в полупроводниках мы получаем до 0.001 В. Знак термоэлектродвижущей силы, как мы уже видели, зависит от механизма проводимости. Соединив два полупроводника с противоположными механизмами тока и нагревая место их соединения, мы получаем сумму эдс.
Термоэлемент является прибором, превращающим тепловую энергию в электрическую. Благодаря неизбежным процессам теплопроводности по тем проводам, которые несут ток, кпд термоэлементов гораздо меньше, чем в тепловых машинах. Термоэлементы из металлов дают не более 1—2% электроэнергии. Среди полупроводников можно подобрать такие, которые дают до 4%, и эту величину, по-видимому, можно будет еще увеличить. Даже при кпд в 10% термоэлементы не могут конкурировать с машинами, но благодаря крайней простоте, отсутствию движущихся частей, компактности для определенных целей термоэлементы могут получить значение не только как измерители температуры и лучистой энергии, но и как источники тока.
Техническое применение полупроводников еще в будущем. Это — один из наиболее молодых и быстро растущих участков технической изобретательности. Наша промышленность уже давно производит выпрямители для целей автоблокировки. Сейчас по разработанному ЛФТИ методу ставится производство сильноточных выпрямителей на сотни и тысячи ампер для электролиза, зарядки аккумуляторов, производства алюминия, магния и для других целей, не требующих высоких напряжений. Ставится производство селеновых выпрямителей, имеющих определенные преимущества при низких температурах и в измерительной аппаратуре. Наконец, в ЛФТИ разработаны новые серно-медные выпрямители с габаритами и стоимостью в десятки раз меньшими, чем у других типов.
Селеновые фотоэлементы производятся в Харькове и Ленинграде в количестве нескольких десятков тысяч в год. Серно-таллиевые фотоэлементы проходят еще стадию испытаний, после чего можно будет приступить к постановке производства и к широкому внедрению их в практику.
Для физической теории полупроводники имеют исключительное значение. Здесь открывается возможность изучить электрические и оптические свойства твердого тела, квантовые состояния электронов, их связь с атомами вещества. И, действительно, современные оптика и электроника твердого тела строятся на изучении полупроводников. Растущий технический опыт обогащает теорию, а теория в свою очередь открывает новые пути улучшения и применения полупроводников. Примерами этого могут служить фотоэлементы и выпрямители, технический опыт изготовления которых открыл явление запорного слоя и различие знака выпрямления. А квантовая теория, объяснив связь знака с механизмом выпрямления, указала путь рационального усовершенствования фотоэлемента и выпрямителя.
В области полупроводников наглядно проявляется взаимная обусловленность теории и практики. Полупроводники представляют поэтому благодарное поле для изучения технической физики, для изобретательства и для автоматизации производственных процессов.