Что такое полупроводник - Анфилов Глеб Борисович. Страница 4
Герой социалистического Труда академик Абрам Федорович Иоффе
Существует, в частности, на первый взгляд странное условие: электрон обладает противоречивыми свойствами: он ведет себя не только как частица, но и как волна. Этот факт трудно сразу осознать, физики к нему попросту привыкают — ничего не поделаешь, такова уж особенность {22} мира мельчайших частичек. Но доказано это совершенно неопровержимо.
И вот если учесть волновые свойства электрона и другие специфические особенности мельчайших частиц — их связи друг с другом, их взаимное влияние,— то все, о чем вы читали, удастся изложить совершенно строго, с точным количественным расчетом.
Такая работа очень трудна. На пути физиков появляется масса непредвиденных препятствий. Чтобы освободиться от них, приходится выдвигать разнообразные гипотезы, проводить огромные вычисления, ставить сложные опыты.
Вот почему создание теории полупроводников — замечательная победа науки. Это итог долголетних исканий многих исследователей. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Федоровичем Иоффе.
Сейчас теория полупроводников продолжает развиваться и совершенствоваться.
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Итак, наука разгадала секреты электропроводности полупроводников. Стала понятной роль свободных электронов и дырок, а также причина влияния примесей на свойства полупроводниковых материалов.
Что требуется сделать, чтобы получить полупроводник с теми или другими заранее «заказанными» свойствами? {23}
Теория подсказывает: надо сначала тщательнейшим образом очистить материал, а потом чуть «загрязнить» его специально подобранным веществом.
Загрязнить полупроводник, внести в него примесь, труда не составляет. А вот предварительно очистить его бывает подчас очень нелегко. Ведь иной раз требуется довести материал до такой степени чистоты, чтобы на десять миллиардов атомов приходился только один атом-чужак! Попытайтесь-ка найти несколько красных песчинок, затерявшихся в большом самосвале, доверху нагруженном желтым песком! Задания, которые получают химики, очищающие полупроводники, еще труднее: ведь атомы не ухватишь рукой: в одной песчинке их столько, сколько песчинок на морском берегу. И все-таки современная химия и металлургия успешно справляются с этой трудной задачей.
В кварцевой трубке — размолотый в порошок полупроводник. Кольцевая печка медленно движется слева направо. Порошок под ней плавится, и из жидкости выталкиваются примеси. Так полупроводники очищают от примесей.
Засолила хозяйка на зиму бочонок огурцов и поставила его в сарай. Однажды ударил сильный мороз, и рассол сверху замерз. Попробуйте кусочек льда. Вы удивитесь: он совсем несоленый. {24}
Вода вымерзла из рассола в чистом виде, а примесь соли осталась в растворе.
Схема установки для вытягивания полупроводниковых монокристаллов из расплава. Чтобы кристаллизация шла равномерно, ванна с расплавом и кристалл непрерывно вращаются в разные стороны.
Вымерзающее вещество почти всегда чище жидкости, из которой оно кристаллизуется. Явление это давно известно науке, и именно его обычно используют химики для очистки полупроводников. Материал размалывают в порошок и засыпают его в длинную кварцевую трубку толщиной в палец. Трубка укреплена горизонтально. Вдоль нее — от одного конца к другому — еле заметно движется маленькая электрическая печка: кольцо из керамики, с внутренней части которого проложена спираль (как у электроплитки). Эта кольцевая печка, плавит порошок в трубке, а по мере ее перемещения вперед расплав сзади застывает. Примеси словно выталкиваются вперед и отчасти назад (здесь играет роль неодинаковая способность примесей растворяться в твердом и жидком веществах).
В середине трубки получается чистое вещество. Впрочем, и при таком способе очистку приходится повторять много раз.
Для более тщательной очистки практикуют и другой метод: материал плавят, вводят в него маленький очищенный кристаллик, который затем медленно-медленно поднимают наверх. Кристаллик {25} разрастается. Чтобы кристаллизация шла правильнее, сосуд и затвердевший кристалл непрерывно вращают в разные стороны. Иногда всю эту операцию ведут в безвоздушной среде или в специальной защитной атмосфере. Из жидкого камня вытягивается целый столбик очищенного материала. С первого раза он и не всегда достаточно чист. Вытянутые столбики опять плавят, вытягивают новый, более чистый столбик, и так далее.
Получение химически чистых полупроводников — сложнейший производственный процесс. Он требует пока огромных сил и средств. Вот почему полупроводники еще недешевы, несмотря на обилие природного сырья для них. Научиться быстро и просто извлекать это сокровище — вот к чему стремятся сейчас ученые. И они добьются своего. Задача поставлена, путь ее решения виден.
{26}
НА СМЕНУ ТЕРМОМЕТРУ
{27}
ГРАДУСНИК УСТАРЕЛ
Многое из привычного, знакомого нам с детства, развитием техники осуждено на уничтожение. Уходит в прошлое свеча. Медная кастрюля уступает место своим алюминиевым сестрам. Прославленный в веках шелк — детище кокона тутового червя — сменяется чудесными тканями из древесины и угля. Паровозы заменяются тепловозами, электровозами, газотурбовозами.
А вот на стене ртутный термометр, казалось бы, неумирающая вещь. На самом же деле и термометр понемногу собирается на покой, в музей, оставляя наследника — маленький полупроводниковый прибор.
Мы подметили интересную особенность полупроводника: при нагревании резко увеличивается его электропроводность. Это свойство очень удобно применить для измерения температуры.
На стеклянной пластинке — слой полупроводника. С двух сторон к нему примыкают металлические проволочки. Через гальванометр — прибор, регистрирующий перемены тока,— они подключены к электрической батарейке. {29} Это простейший полупроводниковый электротермометр — термосопротивление, или термистор.
На холоде ток через него невелик, но чем теплее, тем ток сильнее. Стрелка прибора отмечает увеличение температуры, показывая ее прямо в градусах Цельсия.
Так выглядят некоторые термосопротивления, выпускаемые советской промышленностью.
Наши заводы выпускают самые разнообразные термисторы. Это и пластинка, и стеклянный баллончик или бусинка с проволочными хвостиками, и таблетка размером с кружочек конфетти, и просто чуть заметное пятнышко полупроводника, нанесенного прямо на стрелку гальванометра.
ТЫСЯЧА ИЗМЕРЕНИЙ
Не доверяя собственным ощущениям, вы нередко поглядываете на комнатный градусник. Если столбик серебристой жидкости упирается, скажем, в цифру 14, значит, холодновато, надо пожарче протопить-печку или отвернуть кран у батареи центрального отопления.
Но поставьте себя в положение коменданта большого здания, который обязан непрерывно следить за температурой {30} сразу в сотне, в тысяче помещений. Пусть это будет завод каких-нибудь точных приборов, требующих при изготовлении и испытании строго постоянной температуры. Как поступить в этом случае?