Кунсткамера

Читальный зал

В.А. Байдерин

Рассказы о камне.

ВОЛШЕБНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Все чаще и чаще мы слышим слово "полупроводники". Физики, электротехники, радиотехники уже произносят его так же привычно, как мы говорим хлеб, стол, дождь. Если вы спросите у радиотехника, что такое полупроводник, он скорее всего ответит:

- Да это камешки такие. Маленькие. Некрасивые. То проводят ток, то не проводят. Вот и называются полупроводниками.

Конечно, такое объяснение ничего не даст. Камешков на свете много, и невозможно угадать, какие из них являются полупроводниками.

История открытия полупроводников уходит в начало прошлого века, а свое настоящее развитие она получает только сейчас, и лишь спустя несколько лет у нас и мал и стар будут хорошо знать о полупроводниках и их разнообразном применении в жизни.

Первое знакомство с работой полупроводников у нас состоялось не в шумном городе, не в лаборатории минералога, а на отдаленном пастбище в Казахстане. Здесь, в крохотном поселке, не было электричества, и по вечерам юрты освещались керосиновыми лампами.

Хозяин юрты, у которого мы остановились на ночлег, в сумерки зажег лампу "молнию", надел на ее стекло какую-то черную гармошку и объяснил:

- Вот теперь и радио можно послушать!

От гармошки, надетой на ламповое стекло, к радиоприемнику "Родина" тянулись два тоненьких проводка. Питание приемник "Родина" получает от сухих батарей. Но в юрте их не было. Проводки от гармошки были вставлены в те отверстия приемника, куда полагается подключать батарею.

Прошло некоторое время, стекло на керосиновой лампе нагрелось, и в приемнике послышался шорох. Он все усиливался. Хозяин юрты подсел к приемнику, повернул одну ручку, другую, и громко зазвучала "Уральская рябинушка".

Сомнения не было: электрическое питание приемник получал от гармошки, надетой на ламповое стекло. Но невозможно было понять, как это обыкновенная керосиновая лампа вырабатывает электрический ток. Хозяин юрты этого тоже не знал. Он сказал, что в алма-атинском магазине ему вместе с приемником дали "вот эту штуку", которая надета на стекло, и указали, куда нужно вставить идущие от нее провода.

- С первого дня мой приемник работает бесперебойно,- сообщил житель горного пастбища.- Как зажгу лампу, так - пожалуйста! - можно слушать любую передачу из Москвы и Алма-Аты. Там что-то нагревается,- и он кивнул головой на "гармошку".

Мы пощупали "гармошку" снаружи. Она была холодная. Но внутренняя ее кромка, плотно прилегающая к стеклу, накалилась. Значит, то, из чего была сделана "гармошка", плохо проводило тепло.

Тут нам и вспомнилось это слово - полупроводники. Может быть, им и названы тела, плохо проводящие тепло? Но тогда какое отношение это имеет к электричеству, питающему радиоприемник? Странный, однако, этот источник питания!

Узнать смысл нового слова нам довелось позже, когда пояснения стали давать ученые-физики.

Мы знаем, что хорошими проводниками электрического тока служат металлы. Но есть немало веществ, которые совершенно не проводят тока. Их в электротехнике так и называют веществами-изоляторами. Не проводят тока, например, мрамор, слюда, сухое дерево, стекло, фарфор, эбонит, резина и многое другое. Проводимость тока зависит от внутреннего устройства вещества. Металлы, например, хорошо проводят ток потому, что у них имеются свободные электроны. Эти свободные электроны и переносят ток в любом направлении. В веществах-изоляторах свободных электронов нет, и движение электричества тут невозможно.

Но есть, оказывается, такие вещества, внутреннее строение которых делает их то проводниками тока, то изоляторами. Здесь все зависит от того, как сильно нагреты эти вещества или как резко они освещены лучами солнца, прожектором, электрической лампочкой, вольтовой дугой.

Подключите провода с током к кристаллу германия. Германий - не минерал, это металл. Но в природе он встречается в виде минерала германита и как примесь в некоторых минералах; его нередко находят в сульфидах свинца, меди, серебра. Так вот, подключите провода с током к элементарно чистому германию: если он холодный, ток не пойдет. Начните его нагревать, и стрелка микровольтметра сдвинется с места. Произошло чудо: нагретый изолятор стал проводником. Выяснено, что внутреннее устройство германия и некоторых других металлов необычно. Связь между электронами в этих металлах настолько слаба, что нагрей или освети их ярким светом, и электроны освободятся, станут проводить ток. Вот отсюда и пошло слово "полупроводники". Читатель вправе спросить: а как же керосиновая лампа в юрте казахского чабана? Ведь она не получала никакого электрического питания; она. похоже, сама вырабатывала электричество. В чем тут загадка?

А вот в чем. Советские ученые, исследуя полупроводники, сделали удивительное открытие. Оказалось, что эти полупроводники могут служить источниками электроэнергии. Если их освещать или нагревать, в них возникает электрический ток. Он возникает не из "ничего", а от энергии нагрева или освещения. Проще сказать, полупроводники способны быть маленькими (очень маленькими) электростанциями, вырабатывающими электричество из того тепла или света, которые на них воздействуют. Они поглощают свет или тепло, и тепловая или световая энергия превращается в них в электрическую. Известно, что в паровозе тепловая энергия угля и пара превращается в механическую энергию поршней паровой машины. Так вот, нечто подобное происходит и в полупроводниках, только для своей незаметной работы они не требуют ни поршней, ни турбин, ни генераторов. Без всякого вмешательства человека они способны вырабатывать электрический ток.

Оговоримся сразу: электричества каждый полупроводник вырабатывает очень мало. Но если, скажем, взять десять кристаллов и соединить их в одну батарею, то все вместе они могут дать энергии в десять раз больше, чем один.

Чабан в поселке на джайляу и надевал на ламповое стекло целую батарею полупроводников, собранную в круглую гармошку.

Еще лет двадцать пять назад люди не скрывали усмешек, когда один из советских ученых-физиков утверждал, что полупроводники могут стать источниками электроэнергии. Электричества народному хозяйству требуется громадное количество - миллиарды киловатт-часов. Тысячи больших и малых электростанций безостановочно работают для того, чтобы обеспечить энергией наши фабрики, заводы, шахты, рудники, чтобы осветить квартиры и улицы, привести в движение трамваи, троллейбусы, электропоезда. Разве крохотные камешки-полупроводники могут удовлетворить огромные потребности наших предприятий, жилых домов, транспорта в электроэнергии? Ведь каждый полупроводник способен дать энергии ничтожно мало.

И тем не менее энергетики утверждают, что полупроводники осуществят их мечту и позволят получить электричество из тепла без помощи машин. Спору нет, один полупроводник дает энергии мало. Но ведь можно составить батарею из любого числа элементов и, стало быть, в миллионы и миллиарды раз приумножить напряжение и силу тока, вырабатываемого ими.

Спросят: а что послужит топливом, способным нагреть такую гигантскую батарею? Ведь опять же потребуется много угля, нефти, дров, торфа. Да, бесспорно. Но давайте прикинем, сколько тепла у нас теряется попусту. Примерно восемьдесят процентов тепла, выделяемого углем, нефтью, дровами и торфом, вылетает в трубы печей, паровозных топок и заводских котельных. Это тепло не используется совершенно. Оно пропадает зря. А ведь это тепло можно использовать разумно, полезно. Достаточно подключить к котлам батареи из полупроводников, и мы, так сказать, "из ничего" получим электричество.

Много ли его будет?

Да. К котельной большого жилого дома можно без всякого ущерба для отопления подключить такую батарею из полупроводников, что вырабатываемой ею электроэнергии с избытком хватит для обеспечения всех бытовых нужд жителей этого дома. К такому дому можно не подводить линии электропередач от электростанции - все лампочки, плитки, утюги, холодильники, телевизоры, радиоприемники, электрочайники в этом доме будут светить, греть и охлаждать током, полученным от полупроводников батарей, работающих на тепле, которое сейчас уходит в воздух.

А как удобно получать эту электроэнергию! На электростанциях с этой целью установлены паровые котлы, потреб^ ляющие сотни вагонов угля, паровые турбины, где движущиеся части делают по три тысячи оборотов в минуту и быстро изнашиваются и, наконец, мощные генераторы, на постройку которых требуется много стали и еще больше - медных проводов. Полупроводникам ничего этого не надо. Они получают тепло и тотчас же превращают его в электричество. Дешево, просто, удобно!

Кроме того, не обязательно нагревать полупроводниковые батареи теплом угля, дров, торфа. Обыкновенные зеркала, перед которыми мы по утрам причесываемся, могут собирать солнечные лучи и нагревать ими полупроводники. Тут батареи могут работать совсем на даровом тепле, для получения которого не требуется ни дров, ни торфа, ни угля, ни нефти. Солнце станет работать на человека! Достаточно на крыше дома установить полупроводниковые батареи, освещаемые тут же стоящими зеркалами, и в доме будет сколько угодно электричества. От энергии солнца станут работать в доме и пылесосы, и стиральные машины, и все другие приборы, которым требуется электричество.

Все, что сказано тут, не заманчивая мечта и не фантазия. Мы упоминали о маленькой батарее полупроводников, которая дает электрическое питание радиоприемнику. Таких батареек сейчас выпущены миллионы.

Начинается выпуск более крупных батарей, которые могут обеспечить током полевую радиостанцию "Урожай". А такая радиостанция есть сейчас в каждой РТС и во многих колхозах. И не только полевая радиостанция "Урожай", находящаяся чаще всего вдали от электролиний, требует энергии для своей работы. Сколько подобных небольших радиостанций имеется в экспедициях геологов, на отдаленных рыбных промыслах, в новых поселках на целине, на метеорологических станциях!

И всем им в скором времени дадут надежное питание полупроводники. Кому не известен обыкновенный бытовой нагревательный прибор керогаз? Недалеко то время, когда к нему будет подключаться полупроводниковая батарея, и керогаз превратится в маленькую электростанцию, которая обеспечит энергией нужды жителей небольшого дома. А вот жителям зимовок на далеком Севере или тем же зимовщикам отдаленных и высокогорных метеорологических станций электричества требуется побольше - и для бытовых нужд, и для питания приборов. Может обеспечить их энергией батарея полупроводников?

Гадать не следует. Ученые дают утвердительный ответ. Они уже составили такую батарею, которая сможет разогреваться от тепла небольшой железной печки, отапливаемой все равно чем - дровами, или углем, или торфом. Окружат печку "гармошки" такой батареи, получится очень хорошо: печь даст и тепло, и яркий электрический свет.

Уже создан такой полупроводниковый состав, который может работать как электрический аккумулятор. Каждому, вероятно, известно, что аккумулятор способен вобрать в себя большое количество электроэнергии как бы про запас и потом понемногу отдавать эту энергию. Ученые разработали схему аккумулятора из полупроводников. Днем он будет вбирать в себя энергию солнечных лучей, а ночью станет возвращать эту энергию, освещая дома, улицы, школы, театры, библиотеки, больницы. Пользоваться солнечным светом ночью - как это замечательно!

Полупроводники могут давать ток и при нагреве их теплом от атомных котлов. Сейчас разрабатывается схема "атомных батарей", которые посредством полупроводников будут обеспечивать электроэнергией фабрики, заводы, жилые дома. И опять же: не потребуется ни сложных насосных установок, ни турбин, ни генераторов, какие сейчас работают на первой в мире атомной электростанции: атомная энергия станет греть полупроводники, и из них в линию передач потечет электричество...

Есть еще одна любопытная особенность у полупроводников. Когда через батарею полупроводников пропускают ток, одна сторона батареи начинает нагреваться, другая же заметно охлаждается. Достаточно изменить направление тока, и в батарее все изменится: ее холодная сторона раскалится, а горячая станет очень холодной.

Представьте себе домашний холодильник из батареи полупроводников. Он будет необычайно долговечным и очень удобным. Вот в него поставили кастрюлю с супом, оставшимся после обеда. Холодильник остудит суп, если надо - даже заморозит его и предохранит от порчи. Когда настанет пора, достаточно повернуть выключатель, и тот же холодильник превратится в духовку. Ранее холодная сторона батареи раскалится и суп станет горячим.

Это будет холодильник-кипятильник.

Нетрудно представить систему отопления жилых домов в будущем. Основанное на работе полупроводников, это отопление будет автоматическим. Зимой оно станет обогревать наши комнаты, а летом-охлаждать их.

Во многих городах нашей страны вдоль улиц появились необычайного вида фонари. Они состоят из длинных белых трубок. Вечером эти фонари вспыхивают голубым светом - мягким, как лунное сияние. Белый цвет трубок объясняется тем, что внутри они покрыты тонким слоем полупроводникового состава. Между электродами в трубках происходят электрические разряды. При этом излучаются невидимые глазом ультрафиолетовые лучи. Белый полупроводниковый состав впитывает эти лучи и превращает их в видимые. Так вспыхивает вереница голубых огней, Освещающих мостовые и тротуары.

Почему обычные лампочки накаливания заменяют голубыми светильниками с полупроводниковым составом? Да хотя бы потому, что новые светильники во много раз экономнее обычных электрических фонарей. Подсчитано, что одна электролампа потребляет энергии столько, сколько расходуют ее десять светильников. Вот и выходит, что новые источники освещения выгоднее прежних в десять раз. В начале упоминалось, что от нагревания или охлаждения полупроводники улучшают или ухудшают проводимость электрического тока. Собственно, ведь потому они и получили свое название.

Наука нашла немало способов использования этой особенности полупроводников. Были созданы так называемые термисторы - крохотные аппараты для измерения температуры. Эти своеобразные термометры хороши уже тем, что не раскалываются, как те стеклянные, которыми мы пользуемся дома и в больнице. Но не в этом их главное достоинство. Их главная ценность в том, что они позволили вести измерение температуры автоматически.

Вот по океану плывет громадное судно. Сколько в нем машин, трюмов, кают! Капитану надо постоянно знать, какова сейчас температура в котлах, у двигателей, в каютах, в трюмах, во всех надводных и подводных частях огромного корабля. Чтобы измерять температуру с помощью обычных термометров, пришлось бы содержать на корабле дополнительный штат людей - термометристов. И эти люди вынуждены были бы почти безостановочно ходить от своих наблюдательных пунктов до рубки корабля и обратно или же сообщать показания термометров по телефону. Значит, сколько термометристов, столько и телефонных аппаратов.

Полупроводники упростили и удешевили эту работу. Тысячи термисторов, установленных во всех помещениях большого судна, связаны проводами с пультом управления. Здесь стоит лишь повернуть колесико маховичка, и стрелка покажет температуру в любом уголке корабля. Имея эти данные, нетрудно регулировать температуру во всех частях судна. Это теперь и делают.

А вот что это за приборчик величиной с булавочную головку лежит на руке врача? От маленькой черной точки отходят тоненькие, как волоски, провода. Они присоединены к прибору со стрелкой. Это крошка-термистор, или, как его называют ученые, микротермистор. Проще сказать, это самый маленький в мире термометр. Он может измерять температуру листьев растений, отдельных участков человеческого тела. Казалось бы, для чего знать разницу температур, например, головы и руки. Даже если на какие-то доли градуса разница есть--какое это имеет значение?

Но медицине все важно, все нужно. Вы, вероятно, обращали внимание, что если, скажем, палец на руке порезан, а ранка засорилась и нарывает, то больной палец чуточку горячей остальных. Это объясняется воспалительным процессом, который происходит в ране.

Бывают в организме человека скрытые болезни, такие, как раковые опухоли. Обнаружить их очень трудно. Человек не ощущает боли, однако опухоль постепенно растет и поражает новые и новые участки тела. Выявить эту злокачественную опухоль помогает маленький полупроводниковый термометр. Место, пораженное опухолью, имеет немного повышенную температуру, как тот палец, что порезан и воспалился. Микротермистор, попав на больное место, тотчас же обнаруживает изменение температуры и помогает врачу определить точные границы опухоли. Десятые, а то и сотые доли градуса, не подвластные ртутному термометру, легко измеряются малюсеньким камешком, к которому присоединены проволочки.

Полупроводники могут очень аккуратно и безошибочно выполнять роль счетчиков. Представьте, что по черной ленте конвейера движутся светлые предметы - никелированные чайники, белые туфли, белые пакетики с сахаром или солью. Их нужно считать. Когда светлый предмет будет проходить под прибором фотосопротивления, стрелка дрогнет, автоматический счетчик отобьет новую цифру. Белый цвет окажет свое влияние на полупроводник, проводимость тока в нем увеличится, он пропустит через себя какое-то количество электроэнергии, и этой электроэнергии будет достаточно, чтобы счетчик сработал и показал новое число.

В наших радиоприемниках установлены так называемые вакуумные лампы, такие, из которых выкачан воздух. Лампы эти выполняют сложную работу по усилению пойманных приёмником радиоволн. Но они очень хрупки, довольно велики и занимают в приемнике много места. К тому же при работе они сильно нагреваются. Пятьсот работающих радиоламп выделяют столько же тепла, сколько его дают десять электроплиток.

Сейчас пробуют заменить эти лампы маленькими кристалликами полупроводников. И получается! Приемник работает ничуть не хуже, а достоинства кристалликов очень большие. Они не боятся даже самых сильных сотрясений, размеры их невелики. В спичечную коробку, например, их помещается до тридцати штук, а энергии они потребляют меньше. Срок их службы раз в восемьдесят больше, чем у радиоламп.

В сложных электронных счетных машинах, например, полупроводники совсем вытеснили радиолампы. В одной такой машине сразу работает восемнадцать-двадцать тысяч ламп. В помещении, где стоит машина, имеющая старые вакуумные лампы, невозможно долго находиться: температура воздуха там быстро поднимается до пятидесяти-шестидесяти градусов. Требуется мощная холодильная установка, которая бы освежала воздух в этом помещении.

При работе на полупроводниках этих неудобств нет. Полупроводники не раскаляют воздух, не перегорают, как это может случиться с любой радиолампой, и, значит, обеспечивают нормальную, безошибочную работу счетной машины.

А какое облегчение испытают в своей работе летчики, когда в приборах самолета появятся кристаллические полупроводники! Не надо думать, что самолет состоит лишь из крыльев, мотора и хвоста. В нем - сотни сложнейших приборов, которые помогают пилоту в полете. Многие из этих приборов действуют автоматически. Один из них так и называется - автопилот. Без участия летчика этот прибор может вести машину точно по заданному курсу, может сажать ее на широкое поле аэродрома. При полете ночью, в ненастную погоду, в тумане этот прибор - верный помощник летчиков.

Но верен он тогда, когда исправен. Достаточно в нем перегореть одной радиолампе (а их в приборе много), и автомат превратится из друга летчика в его врага. Прибор начнет ошибаться: самолет может отклониться от заданного курса и совершить посадку, не долетев до аэродрома.

Проверка исправности ламп в автопилоте требует много времени. Да и нет твердой уверенности в том, что при полете одна из ламп не выйдет из строя. Другое дело - маленькие полупроводники. Они и легкие (а на самолете учитывается каждый грамм веса), и простые, и безотказные. С ними на душе у летчика спокойно: автопилот не подведет!

Теперь, когда кратко рассказано о "чудесах", которые могут творить полупроводники, читатель невольно задаст вопрос: а что такое эти полупроводники, из чего они состоят?

Это редкие металлы. Получают их из минерального сырья. Назовем хотя бы три из них. Это уже упомянутый нами германий, а также кремний и торий.

Германий - новый элемент в таблице Менделеева. Обнаружен он в так называемых редких землях, то есть среди таких веществ, которые не часто встречаются. Германия не так много на земном шаре, и он очень рассеян; крупных скоплений его не обнаружено. Но и то, что удается получить, играет, как мы видели, очень важную роль.

Присутствие германия обнаружено, например, в каменном угле. Там его очень мало. Но сейчас уже решена задача извлечения германия при переработке каменного угля. Конечно, эта работа весьма трудоемкая. Но разве можно остановить инженеров, убедившихся в том, что Германиевые полупроводники способны творить чудеса?

Такие же чудеса могут делать и кремниевые полупроводники. Чистый кремний в природе не встречается, но как составная часть он присутствует во многих минералах. Оттуда его уже научились извлекать в виде элементарно чистого металла, пригодного для производства батарей любых размеров для любых целей.

Полупроводники - это техника будущего. Недалеко то время, когда на наших заводах на смену привычным средствам техники придут новые, самые совершенные, основанные на замечательной работе полупроводников. И основой для этого переворота послужат химические элементы, добытые ш минерального сырья.

<<< Читать с начала || Содержание книги || Читать дальше >>>

Читальный зал кунсткамеры: что тут есть?