Для миниатюрных радиоустройств на кристаллах изобретены и соответствующие им крохотные источники питания, например батарейки величиной с трехкопеечную монету. Благодаря скромному «аппетиту» полупроводников такой батарейки им хватает на несколько месяцев. Строятся радиопередатчики, в которых источник энергии сам передаваемый звук. Человек говорит в микрофон, звуковые колебания преобразуются в импульсы тока: одна часть их поступает на усиление, а другая сглаживается и питает усилитель энергией. Весь передатчик умещается в корпусе микрофона. Можно использовать для питания полупроводниковых радиоприемников и даже радиопередатчиков энергию радиоволн. Если приемник настроен на какую-либо слабую радиостанцию, то энергия радиоволн другой работающей в это же время мощной радиостанции тоже улавливается и используется на питание триодов усилителя.
Переворот в радиотехнике вызван также появлением миниатюрных радиодеталей: индукционных катушек, сопротивлений, ферритовых магнитных антенн величиной с карандаш, крошечных, но достаточно емких конденсаторов. Развиваются техника и технология производства всевозможных радиоприборов. Вместо ювелирной ручной сборки на радиозаводах появились механизированные конвейеры и автоматика.
Широко внедряется метод печатных схем: радиоаппаратура изготовляется своеобразным типографским способом, словно открытки или почтовые марки. Интересная новинка — так называемые микромодули (рис. 18). Это тонкие листки, на которых отпечатаны диоды, триоды, сопротивления и прочие элементы радиосхем. Складывая эти листки в стопки, получают бесчисленные варианты радиоприборов. Миниатюрность, экономичность и надежность сочетаются в них с быстротой и легкостью монтажа. Наконец, удается печатать сложнейшие радиосхемы на непрерывных лентах. Работая с ними, радиоконструктор становится Похожим на портного-закройщика: из ленты вырезает ножницами необходимые куски и соединяет их в нужном порядке.
Полупроводниковые термоэлектрогенераторы будут, конечно, широко применяться в технике. Ведь тепло в них превращается в электроэнергию непосредственно — совсем не так, как, скажем, на современных тепловых электростанциях, где работают паровые котлы, турбины, электрогенераторы. В полупроводниковых термобатареях нет никаких промежуточных преобразований энергии, никаких движущихся частей. Как заманчиво было бы установить большую батарею полупроводников прямо в топке электростанции!
Однако в наши дни такие устройства применяются лишь в маленьких приборах. Дело в том, что они пока менее экономичны, чем обычные турбины и котлы. Коэффициент полезного действия термопары 6—8%, а в лабораторных условиях около 10%. Это, вообще говоря, немало. Примерно таков же к. п. д. у паровоза. Но все же это в несколько раз меньше, чем к. п. д. у современных тепловых электростанций.
Физики стремятся сейчас усовершенствовать полупроводниковые термоэлектрогенераторы — повысить их мощность и экономичность. Но и в нынешнем виде они могут применяться довольно широко: там, где нужно использовать так называемое низкопотенциальное тепло, т. е. теплоту, заключенную в массах вещества со сравнительно невысокой температурой,— в дыме заводской трубы, в сбросной воде завода. Значительное количество такой теплоты сейчас бесполезно теряется, а с помощью полупроводников она может быть преобразована в электроэнергию. Кое-что в этом направлении уже сделано. Например, создан термоэлектрогенератор, вырабатывающий электрический ток из тепла выхлопных газов автомобильного двигателя. Полученная таким способом энергия сразу же идет на подзарядку аккумуляторов.
Стоит переменить направление тока через полупроводниковую батарею — и холодильник словно «выворачивается наизнанку». Там, где был недостаток носителей тока, теперь избыток, и наоборот. Тепло и холод меняются местами. Греются уже не внешние, а внутренние концы полупроводниковых брусочков. Из холодильника получается духовой шкаф. Разумеется, и эту возможность, совершенно недоступную обычным холодильным аппаратам, техника охотно использует всюду, где необходимо поддерживать постоянную температуру или попеременно разогревать и охлаждать какую-нибудь деталь. Например, германиевые полупроводниковые триоды плохо переносят изменение температуры, поэтому их полезно помещать в полупроводниковые же термостаты.
Войдя в жилой дом недалекого будущего, вы увидите под подоконниками широкие пластины радиаторов. Но ни парового, ни водяного отопления в этом доме не будет. Такие же пластины — и с наружной стороны стен. А между внутренними и внешними радиаторами будут установлены батареи полупроводниковых термопар. Пропуская через них постоянный ток в определенном направлении, мы заставим комнатный радиатор нагреваться. А летом, в жаркую погоду, ток включат в обратном направлении. Комнатный радиатор вберет теплоту окружающего воздуха и охладит помещение,
Такая система проста, надежна, гигиенична. Но главное ее достоинство — большая экокомичность. Комната станет обогреваться не только за счет энергии электрического тока, пропускаемого через полупроводники. В какой-то мере отоплению поможет охлаждение и без того холодного уличного воздуха. Ведь он будет «работать», отдавая свое тепло наружному радиатору. Правда, при сильном морозе «переброска» тепла в здание извне будет незначительной. Но при температуре воздуха от -5° Ц до +10° Ц полупроводниковый «тепловой насос» может принести большую пользу. Первые отопительно-охладительные полупроводниковые агрегаты уже созданы и испытываются.
Несколько лет назад удалось создать фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток до 13% энергии падающего света. Элементы эти состоят из тонких пластинок, вырезанных из крупных, специально выращенных кристаллов полупроводника кремния. Квадратный метр поверхности прибора, освещенной солнцем, способен дать до 120 вт электроэнергии. В солнечный день батарея кремниевых фотоэлементов площадью в половину газетной страницы может питать, например, электромотор стандартной швейной машины.
Несмотря на трудность очистки и обработки кристаллов кремния, такие фотоэлементы уже внедряются в технику. Созданы приемники, передатчики и другие приборы, питающиеся от солнечных батарей. Выпускаются даже часы, «заводящиеся» светом, фото- и киноаппараты, которые не только сами угадывают экспозицию, но и «солнечной силой» устанавливают нужную диафрагму.
Солнечные батареи дают энергию телефонным подстанциям. Построены модели механизмов оросительных систем, «солнцемобилей» и судов, использующих энергию солнечных лучей. Представьте себе экипаж, который движется без всякого горючего лишь потому, что освещен солнцем. Правда, наземные транспортные средства такого рода едва ли получат сколько-нибудь заметное распространение.
Рождение солнечной энергетики — начало нового этапа в истории техники. До недавних пор лишь растения могли задерживать, накоплять и использовать энергию солнечного луча. Все запасы ископаемого топлива в конечном итоге — «консервы солнечного света», заготовленные некогда зелеными листьями древних растений. С помощью полупроводников человек лишил природу этой монополии.
Между прочим, в зеленом листе, как выясняется, происходят явления, весьма схожие с теми, которые протекают в вентильных фотоэлементах. Сегодня в лабораториях с помощью окрашенных полупроводников уже осуществлен первый этап фотосинтеза — процесса, который преобразует солнечный свет в химическую энергию живого вещества, накапливает ее и питает всю органическую жизнь Земли. Перед наукой открылась заманчивая перспектива — применить искусственный фотосинтез в широких масштабах. Предстоит научиться синтезировать с помощью солнечного света сложные органические соединения прямо из простых минеральных солей воды и воздуха, минуя растения. Успехи физики полупроводников вместе с достижениями химии и биологии ведут к решению этой проблемы.
Физика полупроводников и в других областях тесно соприкасается с наукой о жизни. Электронные явления, сходные с процессами в запирающих слоях, играют огромную роль в физиологии нервной системы, а природные приспособления, подобные вентильному фотоэлементу,— в физиологии зрения.
Особенно велика ценность полупроводниковых «ловушек света» для энергетики, которую принято называть «малой». Солнечные батареи дадут энергию в неэлектрифицированных районах: в горах, на островах, в тайге — всюду, куда трудно тянуть линию электропередачи, а строить электростанции невыгодно. Подсчитано, что, если на крыше дома разместить солнечные фотоэлементы, они обеспечат энергией и отопительные электропечи, и кухонные плиты, и осветительные приборы — словом, все бытовые нужды. А как заманчиво было бы устроить солнечные фотоэлементы в виде ткани, скатывающейся в рулон! На привале геолог или турист размотает такой коврик, разложит его — и готова электростанция. Можно включить электроплитку, миниатюрный полупроводниковый холодильник или, скажем, согреть воздух в палатке.
На наших спутниках, ракетах, автоматических межпланетных станциях солнечные батареи дают электрический ток радиостанциям и другим приборам бортовой аппаратуры (рис. 21). Двигаясь к Марсу или к Венере, межпланетный корабль летит в мощном световом потоке незаходящего Солнца. И даже при нынешнем коэффициенте полезного действия солнечных батарей применение их на десятки тонн снижает вес космического корабля.
Следует отметить, что современные кремниевые фотоэлементы, по всей видимости, еще не самые эффективные. Ученые пытаются их усовершенствовать и, главное, ищут новые материалы, способные освоить большую долю световой энергии, чем кремний. Теоретически возможно создать полупроводниковые солнечные батареи, превращающие в электрический ток почти половину энергии падающего на них света.
Среди наших читателей, несомненно, есть немало фотолюбителей, а из них многие знакомы с удобным прибором, определяющим экспозицию при съемке, — с фотоэлектрическим экспонометром. Вы открываете крышку прибора, направляете его «глаз» на предмет, который хотите сфотографировать, и стрелка на шкале тут же показывает, какую надо сделать выдержку. Прибор не требует никаких источников питания — батареек, аккумуляторов. Он преобразует световую энергию в энергию электрического тока, отклоняющего стрелку. Свет превращается в ток.
Чувствительный элемент экспонометра сделан из полупроводника селена, обладающего дырочной проводимостью. Он лежит на стальной подложке. На внешнюю поверхность селена нанесена тонкая пленка металла, например золота. И эта добавка превращает поверхностную область полупроводника из дырочной в электронную.
В электронной области обстрел световыми частицами (фотонами) освобождает из атомов электроны. Они мечутся, сталкиваются и, «не умещаясь» в тоненьком слое электронного селена, уходят в пленку золота. Иного пути у них нет, так как в дырочную область дорога закрыта запирающим слоем. Поэтому в пленке золота накапливается избыток электронов — отрицательный электрический заряд. Вместе с электронами в электронной области, естественно, образуется и некоторое количество дырок. Для них запирающий слой не преграда. Положительный заряд — как бы «пропуск» для прохода через границу. И благодаря этому на стальной подложке возникает положительный заряд. Таким образом, энергия света создает
разность потенциалов между противоположными поверхностями полупроводниковой пластинки. Если эти поверхности соединить проволочкой, возникнет электрический ток, который будет течь, пока селен освещен. И ток будет тем сильнее, чем сильнее освещение.
Такие вентильные, по терминологии физиков, фотоэлементы известны уже давно. Они широко применяются в различных автоматических устройствах: например, отлично справляются с анализом крови (фиксируют ничтожное различие в количестве красных кровяных телец), непрерывно следят за насыщенностью крови кислородом при хирургических операциях и т. д. Однако до недавних пор у полупроводниковых фотоэлементов был очень низкий коэффициент полезного действия — они преобразовывали в электрическую энергию лишь тысячные доли энергии падающего светового потока.
С брусочками полупроводниковых термопар можно делать странные на первый взгляд превращения. Мы нагреваем их с одной стороны, охлаждаем с другой, и они порождают электроэнергию. А что, если просто пропустить через них постоянный электрический ток? Тогда они с одной стороны нагреются, а с другой охладятся, ибо внешнее электрическое поле перераспределит электроны и дырки, как бы «растянет» их в разные места. Там, где возникнет недостаток носителей тока, они начнут образовываться заново, черпая на это энергию из окружающей среды, и тем самым охладят ее. Там же, где носители тока будут в избытке, электроны станут воссоединяться с дырками, энергия начнет выделяться в виде теплоты. Таким образом, в брусочках возникнет разность температур.
На этой основе в Институте полупроводников Академии наук СССР было разработано несколько систем холодильников. В них нет ни движущихся жидкостей, ни моторов, ни компрессоров. В заднюю стенку холодильного шкафа вмонтирована небольшая плитка, собранная из полупроводниковых термопар. Она соприкасается с двумя радиаторами: один выходит наружу холодильника, другой расположен внутри него. Полупроводниковый выпрямитель преобразует переменный ток электросети и питает холодильник постоянным током. Холодильник действует, совершенно не изнашиваясь. По экономичности же последние модели этих устройств не уступают обычным холодильным установкам. Сейчас полупроводниковые холодильники успешно действуют на борту нескольких самолетов ТУ-104.
Способность полупроводников создавать искусственный холод пригодится, конечно, не только в быту. Для научных исследований созданы холодильники-малютки величиной с наперсток. Никаким другим способом их построить невозможно. Врачи надеются получить от физиков холодильный полупроводниковый пластырь, даже охлаждающее устройство, предназначенное для ввода в человеческое тело. Все это под силу технике наших дней.
В далеких деревнях и селах, в домах лесников и бакенщиков можно встретить своеобразную керосиновую лампу «электростанцию»: она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно просто. Полупроводниковые брусочки смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло. Когда лампа зажжена, грани брусочков, обращенные внутрь трубочки, разогреваются теплом горячих газов, поднимающихся от пламени. Противоположные же их грани охлаждаются комнатным воздухом. И в результате в полупроводниковой батарее рождается электрическая энергия.
Батарея построена из брусочков двух типов — электронных и дырочных. Все они соединены попарно. Каждая пара спаяна металлической пластинкой, образуя нечто вроде буквы «П».Место спая нагревается, а противоположные грани брусочков охлаждаются. Нагрев рождает избыток носителей тока,
причем в разных полупроводниках разного знака. В электронном брусочке освобождаются электроны, а в дырочном — дырки. У нагретых граней возникает как бы «толчея» носителей тока, электроны и дырки перекочевывают к холодным граням — там «спокойнее». В результате у холодной грани дырочного брусочка возникает положительный заряд, а отрицательный — у холодной грани электронного брусочка. Если холодные грани всех пар соединить проволокой, по ней потечет ток, возбужденный с помощью тепла.
Обходясь без радиоламп, удается делать передатчики и приемники исключительно прочными. Их можно смонтировать даже в обыкновенном слесарном молотке. Сколько ни стучи таким молотком, радиоприбор не испортится, не перестанет работать. Радиостанцию на кристаллах можно вмонтировать в артиллерийский снаряд, поставить на искусственный спутник Земли, на межпланетный корабль. Ей не страшны ни самая сильная тряска, ни самые резкие удары.
Очень ценна и миниатюрность полупроводниковых радиоприборов. Давно перестал быть редкостью приемник величиной с портсигар, даже со спичечную коробку. Читатель, немного знакомый с радиотехникой, без особых затруднений может построить миниатюрный полупроводниковый приемник.
Совсем крошечные полупроводниковые радиостанции помещают в медицинских приборах. Таков, например, радиозонд для исследования внутренних органов человека — это маленькая, вроде фасолины, «пилюля», в которой спрятан радиопередатчик на кристалликах. Человек проглатывает такую «пилюлю», и она, блуждая по кишечнику, методично посылает условные радиосигналы о состоянии внутренних органов, о температуре в них, давлении и т. д.Огромную роль обещают сыграть полупроводники в развившейся за последние годы электронно-вычислительной технике. Поначалу в кибернетические машины приходилось ставить сотни и тысячи радиоламп, потому что эти устройства «думали» именно с помощью радиоламп. Понятно, что ламповые машины занимали большие комнаты, целые залы, даже здания, к тому же часто портились, а при работе потребляли огромное количество энергии. Но когда появились полупроводники, электронно-счетные и управляющие машины были быстро «переучены». Они стали «думать» с помощью кристаллических триодов и других полупроводниковых деталей. Кибернетический «мозг» уменьшился во много сотен раз. Энергии ему требуется теперь совсем немного.