Кристаллический усилитель: слабым сигналом отпирает запирающий слой для мощного тока. Представьте себе крошечный кусочек кристаллического полупроводника — германия. У него электронная проводимость. На верхней грани кристалла специальной обработкой (введением примеси) создана область с дырочной проводимостью. Между дырочной и электронной областями образуется, как всегда, запирающий слой. Кристаллик снизу припаян к металлической пластинке — к базе, а сверху к нему присоединены рядышком две проволочки — эмиттер и коллектор. Вот и весь прибор. Он называется полупроводниковым триодом или транзистором.
Когда нужно усилить очень слабый сигнал, его можно включить в прибор по-разному.
Простейший полупроводниковый выпрямитель был широко распространен еще лет 30— 40 назад, на заре радиовещания. Речь идет о детекторе — сердце детекторного радиоприемника (рис. 13). Кристаллик детектора преобразовывал быстропеременные электрические колебания, пойманные антенной, в пульсирующие постоянные токи, которые в наушниках рождали звук.
Конечно, в те времена детекторы работали не очень хорошо. Включая приемник, приходилось проволочкой нащупывать на кристалле место с хорошим запирающим слоем — «чувствительную точку», которая то и дело сбивалась. Многие изобретатели старались улучшить детектор. Занимался этим и сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев. Сочетая в схеме два детектора, он научился слегка усиливать радиосигналы и возбуждать электрические колебания. Радиоприемники Лосева — «кристадины» — долгое время были популярны. Но потом, когда детекторы уступили место радиолампам, о кристадинах забыли.
Несколько десятилетий радиолампы безраздельно господствовали в радиотехнике. Осваивая и совершенствуя их, радиотехника добилась огромных успехов. С участием радиоламп развились радиовещание, телевидение, радиолокация, автоматика, телемеханика. Появилась новая обширная область технической физики— электроника.
Но постепенно становилось ясно, что радиолампы далеко не безупречны. Хрупкие, недолговечные, неэкономичные, они все меньше удовлетворяли конструкторов. И тогда вспомнили о полупроводниковом детекторе. Возникла идея заменить стеклянный пузырь радиолампы твердым полупроводниковым камешком.
Немало усилий потратила наука, чтобы «научить» детектор новым «профессиям». Надо было создать сочетание полупроводниковых кристаллов, способное не только выпрямлять токи, но и в широких пределах усиливать и возбуждать электрические колебания. В 1948 г. проблема была решена. Американцы Бардин и Браттейн создали первый полупроводниковый усилительный прибор.
Техника наших дней широко пользуется выпрямителями — устройствами, которые преобразуют переменный электрический ток в постоянный. Чаще всего это особые радиолампы — кенотроны. Их можно найти в любом сетевом радиоприемнике. Главными частями мощных выпрямителей для радиостанций, электроплавильных печей, электровозов были до недавних пор мотор-генераторы или приборы газового разряда — ртутные лампы. Такие устройства громоздки (для мощного мотор-генератора строят целое здание), неэкономичны, часто выходят из строя.
Теперь появились полупроводниковые выпрямители с запирающим слоем. Они прочны, надежны, миниатюрны и вместе с тем рекордно экономичны.
Пограничное электрическое поле в полупроводнике, состоящем из дырочной и электронной областей, существует всегда, независимо от того, подведены провода от электрической батареи к разным частям полупроводника или нет . Но внешнее поле сильно влияет на внутреннее поле запирающего слоя.
Если к электронной части полупроводника подвести положительный полюс батареи, а к дырочной — отрицательный, то направление электрического поля батареи совпадет с направлением внутреннего поля в запирающем слое. Это расширит запирающий слой, и ток через прибор не пойдет.
До сих пор мы говорили о техническом применении полупроводников какого-либо одного вида — либо электронных, либо дырочных. Но есть устройства, в которых сочетаются оба вида полупроводников.
Представьте себе полупроводник, в котором как бы срослись два слоя с разными примесями — электронный и дырочный. Из электронного слоя в дырочный продвигаются благодаря диффузии электроны. Они оставляют пустые места в атомах — дырки. В дырочном же слое электроны-пришельцы «проваливаются» в дырки, количество которых поэтому уменьшается. За границей раздела получается с дырочной стороны избыток электронов, а с электронной — избыток дырок. В конце концов наступит равновесие, количество электронов-перебежчиков и дырок-перебежчиц уравняется. И тогда в дырочном слое у самой его границы возникнет ряд отрицательных зарядов, а в электронном — ряд положительных зарядов. Между двумя разноименными зарядами, как между обкладками заряженного конденсатора, появится электрическое поле. Оно будет направлено против новых «нарушителей границы». В электронном слое это поле станет задерживать электроны, стремящиеся перейти границу — оттолкнет их обратно. А в дырочной области пограничное поле оттолкнет обратно новых перебежчиц-дырок. Движение зарядов через границу прекратится. На границе возникнет запирающий слой, преодолеть который носители тока не смогут без помощи внешнего электрического поля. Этот запирающий слой — основа многих ценнейших аппаратов и приборов.
Представьте себе электрокипятильник для воды в виде небольшой трубки, которая надевается прямо на водопроводный кран. Трубка сделана из стекла, на которое изнутри нанесена тонкая пленка полупроводника. Когда через пленку идет ток, полупроводник сильно разогревается и струя воды в трубке закипает. Вы открываете кран и спустя секунду из трубки льется кипяток!
Некоторые полупроводники создают при электрическом воздействии яркое свечение. Явление объясняется просто: электрическое поле воссоединяет электроны с дырками. Электроны как бы «проваливаются» в дырки. При этом освобождается энергия, которая и выделяется в виде света. Физики пытаются на этой основе создать экономичные, удобные светильники, плоские телевизионные экраны и многое другое.
Существуют полупроводниковые материалы, которые светятся от воздействия потока электронов, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Эти вещества — отличные покрытия для экранов рентгеновских установок, телевизионных трубок, ламп дневного света.
Есть полупроводники, которые «чувствуют» свет. Световая энергия вызывает в них избыток носителей тока — электронов и дырок.
Давно уже перестали быть редкостью прочные и миниатюрные полупроводниковые «глаза» — фотосопротивления. Они идут в технику на смену хрупким и дорогим стеклянным фотоэлементам и надежно работают в различных автоматических устройствах. Можно, например, заставить падать на фотосопротивление тень от деталей, проходящих по заводскому конвейеру, и таким образом подсчитывать количество выпущенных изделий.Фотосопротивления умеют оценивать качество шлифовки, окраски изделия. Часто применяются они в аппаратах техники безопасности. Стоит рабочему случайно попасть рукой в опасное место машины, как на фотосопротивление падает тень, и ток, текущий через него, прекращается, что служит командой для немедленной автоматической остановки машины.
С помощью миниатюрных фотосопротивлений сконструирована в СССР интересная «читающая машина» для слепых. Ее чувствительный элемент, двигаясь вдоль строки книги, улавливает очертания букв печатного текста. Электрические сигналы преобразуются в движения маленьких стерженьков, которые слепой ощущает пальцами. Человек, лишенный зрения, получает возможность читать обычные книги, а не только выпуклые тексты, специально изготовленные для слепых, как это было прежде.
Самая простая особенность полупроводника — ярко выраженная зависимость его электропроводимости от температуры. Чем сильнее нагрет полупроводниковый материал, тем обильнее в нем освобождаются электроны и образуются дырки, тем лучше он проводит ток. Поэтому из полупроводников делают простые и надежные электротермометры. Их называют термосопротивлениями или термисторами.
Каких только термисторов сейчас не встретишь на наших заводах, в научно-исследовательских институтах, в больницах и даже в колхозах! Есть, например, многометровые штанги, которыми удобно проверять температуру где-нибудь в глубине наполненного зерном элеватора. Есть термисторы, похожие на кинжалы. Их втыкают в почву, чтобы узнать, насколько нагреты разные ее слои. Миниатюрными полупроводниковыми электротермометрами агрономы измеряют, как нагревается поверхность листьев растений, а врачи — температуру кожи больного. Крошечные чувствительные элементы термисторов можно вводить прямо в кровеносный сосуд!
Инженеры ставят термисторы в машины, чтобы вовремя получить предупреждение о чрезмерном разогревании детали. Очень широко начинают применяться эти приборы в автоматике, всюду, где нужно поддерживать постоянную температуру или связанные с ней физические явления (например, влажность, скорость движения газа).
Стоит ввести в чистый полупроводник совсем небольшое количество другого химического элемента, как появляется либо избыток электронов, либо избыток дырок. Например, закись меди обогащается электронами, если меди в ней больше «нормы», если же в ней есть «лишний» кислород — дырками. Происходит это потому, что атомы кислорода оттягивают на себя электроны и создают избыток дырок, а атомы меди, наоборот, отдают свои электроны, создавая избыток электронного газа. Те полупроводники, в которых основные носители тока — электроны, называются электронными. А материалы с избытком дырок именуются дырочными полупроводниками.
Изготовить полупроводник — дело очень нелегкое. Главная трудность — в очистке материалов. Например, полупроводниковый кристаллический германий надо так очистить, чтобы на миллион его атомов приходилось не более одного атома примесей. Еще большей чистоты требуют физики от кремния: на миллиард атомов не больше одного чужого! Современная техника справляется с такой очисткой материалов. Для этого применяют разные методы.
Химики давно подметили, что кристалл всегда чище жидкости (раствора или расплава), из которой он выращен. Ведь в кристаллическую решетку встраиваются без помехи только атомы, принадлежащие веществу кристалла. Для других атомов в кристалле нет «подходящего места», и если они иногда «принимаются в строй», то лишь в виде исключения. Поэтому, например, лед на поверхности моря менее соленый, чем морская вода.
Следовательно, чтобы очистить полупроводник, можно сначала расплавить его, а затем вырастить из расплава кристалл. Если эту операцию повторить многократно, с каждым разом кристаллы будут получаться все чище и чище. Такое выращивание кристалла — дело совсем не простое. Посуда для расплава должна быть жаростойкой и идеально чистой. На всем протяжении процесса должны быть обеспечены определенные, строго регулируемые условия. Кристаллизация — капризный процесс, и управлять ею нужно с исключительной аккуратностью.
Вот сравнение, которое поможет лучше уяснить, в чем сущность понятия «дырки». В театре сидит публика. Зал заполнен до отказа.
Но вот кто-то, сидящий с краю на первом ряду, уходит, оставляя пустой стул. Это и есть дырка. На освободившееся место тотчас пересаживается зритель из второго ряда, оставляя пустой стул (дырку) уже во втором ряду. Снова пересадка — и свободное место (дырка) перекочевала в третий ряд. Так, зрители один за другим передвигаются к сцене, а пустое место тем временем отодвигается назад.
В полупроводнике дырка ведет себя подобно пустому месту в театральном зале. Когда по полупроводнику течет ток, электроны и дырки бегут в противоположных направлениях.
И вот что существенно: дырки движутся к отрицательному полюсу, т. е. как частички, несущие положительный электрический заряд. Закономерности движения дырок таковы, что этим «пустым местам» физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и «эффективную массу»: принимают для удобства расчетов, что дырки обладают определенной массой (немного большей, чем у электронов, потому что дырки не так подвижны, как электроны).
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике «сидит» в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Участвуя в тепловом движении, атомы раскачиваются и теряют наружные электроны. При нагревании полупроводника в нем увеличивается количество электронного газа, т. е. свободных электронов, способных переносить электрический ток.
Значит, полупроводник при нагревании не уменьшает, как металл, а, наоборот, увеличивает свою электропроводность. В этом заключается важный физический признак любого полупроводникового материала.
Характерна и другая особенность. Оказывается, в полупроводнике переносят ток не только оторвавшиеся от атомов электроны, но и электроны, которые сравнительно слабо связаны с атомами и могут освобождаться под действием тепловых колебаний или под действием электрического поля.
В куске полупроводника, соединенном с полюсами электрической батареи, атомы кристаллической решетки колеблются. Электроны с них срываются, тотчас подхватываются электрическим полем и летят к положительному полюсу. Но в каждом атоме, избавившемся от электрона, остается как бы «свободное место». Оно остается пустым лишь ничтожное мгновение.