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.
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.
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.
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.
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.
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.
Медная проволока хорошо проводит электрический ток. Поэтому медь, как и другие металлы, называют проводником. А фарфоровый ролик или какой-нибудь предмет из резины, эбонита не пропускают ток. Это — изоляторы.
Любое вещество построено из очень большого количества атомов. А в каждом атоме есть сравнительно массивное, положительно заряженное ядро, вокруг которого кружатся электроны — легкие частицы, несущие отрицательный заряд. И вот оказывается, что наружные, так называемые валентные электроны атомов (те самые, что создают химические связи) ведут себя в проводниках иначе, чем в изоляторах.
В металле валентные электроны не удерживаются у атомов, соскакивают с них и свободно блуждают, образуя внутри металла своеобразный электронный газ. Правда, частицы этого газа — электроны — не могут уйти из металла. Общее притяжение положительно заряженных ядер надежно удерживает электронный газ внутри металлического предмета. Можно считать, что валентные электроны там обобществлены: принадлежат сразу всем атомам вместе, а не каждому из них в отдельности.
В современной технике много чудес, о которых совсем недавно можно было только мечтать. Представьте себе радиоприемник, который спрятан в пилюле, похожей на лекарственную. Ее можно проглотить, и пойдут радиосигналы прямо из желудка, они расскажут врачам о состоянии внутренних органов больного.
Приборы космического корабля питаются электрическим током от маленьких темных пластинок, сложенных в виде щита. Солнечный свет падает на пластинки и превращается в электрическую энергию.
Существует устройство, которое зимой обогревает дом за счет мороза, а летом охлаждает его за счет уличной жары. Созданы термометры величиной с булавочную головку, холодильники не больше наперстка И многие другие удивительные и полезные приборы.
Во всех этих приборах действуют полупроводниковые материалы.
Полупроводники широко и многообразно применяются в современной технике. К ним относится много веществ: кристаллы германия, кремния, селена, углерода, разнообразные сплавы и окислы. Есть полупроводники стекловидные и даже жидкие.
Наука о полупроводниках появилась совсем недавно. И сейчас во всем мире исследуются их свойства. В нашей стране этой проблемой занимаются многочисленные коллективы специалистов, в том числе целая школа ученых, созданная крупнейшим советским физиком академиком А. Ф. Иоффе.