Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf

Рис. 42. Алмаз «.Шах» в трех проекциях (фото в -натуральную ве­ личину). Внизу увеличенные изображения гравировок дат н имен владельцев.

русского посла, писателя А. С. Грибоедова, дарит царю алмаз «Шах». Так кровавая трагедия завершилась сдел­ кой двух царей.

2.СВОЙСТВА

ИПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНИЯ

ИГЕРМАНИЯ

По своим механическим свойствам чистые кремний и германий ничем не примечательные неметаллы. Их можно легко растереть в ступке до тончайшего порошка, расколоть на кусочки, поэтому они длительное время не находили практического применения, и только с 1946 г., когда Дж. Бардиным был впервые изготовлен из герма­ ния транзистор, началось триумфальное шествие этих элементов в радиоэлектронике. Любой транзисторный приемник, телевизор имеют особые детали из германия и кремния, они встречаются на космических ракетах и спутниках Земли, в электронно-вычислительных машинах, приборах для определения степени освещения. И это да­ леко не полный перечень применения кремния и герма­ ния.

Применение этих элементов основано на их особых полупроводниковых свойствах, которые зависят от на­ личия в кремнии и германии непрочных ковалентных связей.

Атомы кремния и германия имеют по четыре валент­ ных электрона. Каждый атом окружен четырьмя други­ ми атомами и связан с ними ковалентной связью (рис. 10, стр. 36). Таким образом, у атома имеется четыре ко-

1.32

валентные связи, на образование которых затрачивается всего восемь электронов. Теоретически кремний и гер­ маний не должны проводить электрический ток, так как у них нет свободных электронов. И действительно, при низких температурах они электрический ток не проводят. Однако уже при комнатной температуре их сопротивле­ ние падает: германий имеет сопротивление от 1000 до 0,01 ом'См, кремний от 100 до 10 ом-смх. Это в тысячи раз больше, чем у металлов, При дальнейшем повыше­ нии температуры их электропроводность, в отличие от электропроводности металлов, еще больше увеличива­ ется. Это на первый взгляд странное явление объясня­ ется просто: некоторые ковалентные связи разрываются, и при этом появляются свободные электроны. Они-то и

. являются причиной увеличения электропроводности. Небольшая электропроводность, имеющаяся у герма­

ния и кремния, называется собственной. Электропровод­ ность резко возрастает, когда в германий и кремний вхо­ дят небольшие примеси металлов и неметаллов. Эту про­ водимость называют примесной. Появление примесной проводимости можно понять из схем (рис. 43 и 44). Ког­ да примесями являются элементы V группы, например фосфор, мышьяк, сурьма, у кремния и германия появ­ ляется электронная проводимость (рис. 43). Связано это1

1 В зависимости от количества примесей сопротивление этих эле­ ментов изменяется в очень широких пределах. Например, для герма­ ния заметно увеличение сопротивления при введении одного атома примеси на миллиард атомов германия. Последние числа относятся к собственному сопротивлению элемента.

133

стем, что у атомов элементов V группы пять валентных электронов, а на образование химических связей с крем­ нием или германием используется только четыре элект­ рона. Пятый электрон остается свободным, он не связан

сатомами. Такие свободные электроны движутся в кус­ ке германия или кремния хаотично, но при наложении электрического гока приобретают направленное дви­ жение.

Иной тип проводимости возникает при добавлении в кремний или германий элементов III группы, например алюминия (рис. 44). У атома алюминия три валентных электрона. На образование четырех ковалентных связей с атомом кремния или германия необходимо четыре элек­ трона. Поэтому одна связь получается «одноэлектрон­ ной». Нехватка одного электрона обозначается знаком плюс, а возникшая проводимость называется дырочной. При пропускании электрического тока «дырки» движут­ ся к отрицательному полюсу. В действительности, конеч­ но, никаких дырок нет, а имеется только неполноценная ковалентная связь, эта связь и «перемещается» к отрица­ тельному полюсу. Перемещение осуществляется за счет того, что один из электронов, затраченных на образование ковалентной связи, расположенной левее «дырки», пе­ рескакивает вправо, и одноэлектронная связь становит­ ся обычной ковалентной связью (рис. 45). Таким обра­ зом, при пропускании электрического тока электроны днижутся нормально от отрицательного к положитель­ ному полюсу.

Наличие двух видов проводимости делает эти полу­ проводники незаменимыми в радиотехнических устрой­ ствах, в частности в выпрямителях переменного электри-* ческого тока. Для получения выпрямительных свойств в полупроводнике создают так называемый электронно­ дырочный переход (одна часть кристалла обладает ды­ рочной проводимостью, а другая — электронной). Полу­ чение таких композиций — дело трудное и дорогое. Выра­ щивают кристаллы в специальных вакуумных печах или в атмосфере аргона (рис. 20, стр. 53). Чистейший крем-

Рис. 45. Механизм прохождения тока в полупроводнике с дырочной проводимостью.

134

Запирающии слой

Рис. 46. Механизм выпрямления переменного тока.

ний или германий (см. главу V) расплавляют в тигле и добавляют в него незначительное количество элемента, создающего электронную или дырочную проводимость, например галлий или сурьму. Затем опускают «затрав­ ку»—небольшой кусочек чистого кремния или германия, укрепленный на специальной охлаждаемой штанге.-Темпе­ ратуру расплава поддерживают близкой к температуре застывания, и поэтому около затравки расплав застыва­ ет, так как ее температура ниже температуры плавления кремния или германия. Затравку медленно автоматиче­ ски поднимают, т. е. кристалл как бы вытягивают из рас­ плава. Для того чтобы добавленная в расплав примесь равномерно распределилась в монокристалле, штангу с затравкой и тигель с расплавом медленно вращают в разные стороны. Через некоторое время выращенный мо­ нокристалл переносят в другой тигель, где также имеет­ ся расплавленный кремний или германий, но имеющий другие примеси, создающие противоположный тип про­ водимости. Выращивание монокристалла продолжают и получают «бульку». В середине этого монокристалла имеется электронно-дырочный переход, т. е. граница, где соприкасается электронная и дырочная проводимость. Здесь и происходит выпрямление электрического тока.

Механизм выпрямления переменного тока ясен из ри­ сунка 46. На рисунке 46, 1 показано состояние электрон­ но-дырочного перехода, при котором электроны не про­ ходят через выпрямитель. При наложении электрическо-- го тока электроны идут к положительному полюсу, а дырки к отрицательному. На границе между дырочной и электронной проводимостью, т. е. в электронно-дыроч­ ном переходе, создается зона, не имеющая носителей

135

электрического тока, — запирающий слой. В этом случае электрический ток через выпрямитель не проходит. При изменении направления электрического тока электроны н дырки движутся навстречу друг другу (рпс. 46, 2), За­ пирающий слой исчезает, и электроны беспрепятственно проходят через полупроводник. Таким образом, электро­ ны могут проходить только в одном направлении — про­ исходит выпрямление электрического тока.

В настоящее время электрические выпрямители из кремния широко применяют в промышленности, в ча­ стности на заводах, где используются различные элект­ ролитические методы получения веществ. Мощные крем­ ниевые выпрямители имеются на электрических подстан­ циях железных дорог. Как известно, удобнее и дешевле получать переменный электрический ток, а использовать для электрической тяги (трамваи, троллейбусы, электро­ возы) лучше постоянный ток. Поэтому переменный ток предварительно выпрямляют. Раньше для этой цели при­ меняли ртутные выпрямители, сейчас — кремниевые. Ос­ новное преимущество кремниевых выпрямителей состо­ ит в том, что они выдерживают температуру .до 180°С. Рабочая температура германиевого выпрямителя 50°С. Перегрев пагубно действует на полупроводник — проис­ ходит разрушение запирающего слоя, поэтому так важ­ но расширение температурного диапазона применения

dвают их диодами. Диод представляет собой

инебольшой кусочек германия объемом в не­ сколько кубических миллиметров, к которо­ му припаяны два проводника (рис. 47). Ди­

136

переход создают путем диффузии примесей. Например, в кусочек германия, который имеет электронную проводи­ мость, вплавляют с одного конца незначительное коли­ чество индия или какого-либо другого элемента III груп­ пы. Диффузия примеси происходит уже в процессе вплавлеиия, а иногда требуется и дополнительная термообра­ ботка. Добавка создает дырочную проводимость. Дальнейшее развитие полупроводниковые выпрямители получили в разработках Ленинградского физико-техниче­ ского института им. А. Ф. Иоффе под руководством про­ фессора В. М. Тучкевнча. Создан прибор, позволяющий одновременно с выпрямлением тока регулировать силу и напряжение выпрямленного тока. Трудно переоценить огромные возможности и экономический эффект этого изобретения.

Не меньшее значение имеют триоды, которые заме­ няют в приемниках и телевизорах радиолампы. Для того чтобы понять устройство триода и принцип его работы, рассмотрим устройство трехэлектродной лампы (рис.

48) . Электроны срываются с раскаленной нити лампы и в вакууме переходят на анод. На пути движения элект­ ронов находится сетка. Это спираль, окружающая рас­ каленный катод. В зависимости от заряда, который по­ дают на сетку, сила тока в анодной цепи может усили­ ваться или ослабляться. Когда на сетку подают отрица­ тельный заряд, сетка отталкивает электроны, п поэтому их движение замедляется. При значительных отрица­ тельных потенциалах движение прекращается. Когда на

электроны, ударившись о сетку, могут на ней задержать­ ся, но большая часть электронов проходит между отвер­ стиями сетки и идет к аноду.

Примерно гак же работает германиевый триод (рис.

49). Он представляет собой кусочек германия размером

внесколько десятков кубических миллиметров. Подво­ ды к нему изготовляют из тонкой вольфрамовой бронзы или из какого-либо другого материала. Электрические подводы называются коллектором и эмпттором. Коллек­ тор и эмиттор припаяны очень близко, на расстоянии около*0,1 мм; Электроны в основной цепи идут к коллек­ тору. На эмиттор из системы подается потенциал, кото-

.рый в непосредственной близости от коллектора создает положительный или отрицательный заряд. При наличии

137

1

ка; 3 — катод.

на эмитторе отрицательного заряда электроны, идущие к коллектору, будут «отталкиваться», и наоборот: по­ ложительный заряд будет способствовать усилению тока в цепи.

Таким образом, эмиттор работает так же, как сетка в радиолампе: слабые колебания тока на эмитторе влия­ ют на более мощный электрический ток в основной цепи. Преимущества триодов перед радиолампами? Их много. Триоды очень долговечны, так как в них нет нитей нака­ ливания, устойчивы к ударам и вибрациям. Они по­ требляют в миллион раз меньшую мощность. Изделие уменьшается по размерам и массе. Так, самая маленькая радиолампа по сравнению с триодом имеет объем в 50 раз больший.

Кремний все чаще используют для изготовления сол­ нечных батарей— приборов, превращающих солнечную энергию непосредственно в электрическую. Солнечные батареи незаменимы на искусственных спутниках Зем­ ли и на космических кораблях. Почти два года работала кремниевая солнечная батарея на третьем советском спутнике, пока не сгорела вместе со спутником в плотных слоях атмосферы. Полупроводниковые преобразователи питали и двигатели первой в мире автоматической лун­ ной станции «Луноход-1».

В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных батарей равен 14—15%, т. е. такое количест­ во солнечной энергии превращается в электрическую. Это довольно большой коэффициент полезного действия. Достаточно сказать, что листья растений «усваивают» только 1% падающей на них солнечной энергии. А теоре­ тические расчеты говорят о возможности достичь коэф­ фициент полезного действия в 25% в не столь уж отда­ ленном будущем.

138

Прямое использование солнечной энергии — актуаль­ нейшая проблема сегодняшнего дня, особенно для рай­ онов, отдаленных от источников энергии. Солнечные лучи приносят на 1 м2 земной поверхности 1 кет мощности. Солнце —это гигантский и неиссякаемый источник сол­ нечной энергии. Даже если бы мы смогли извлечь из всех известных нам запасов ядерного горючего всю энер­ гию, то было бы получено 144 -1018 ккал. В то же время Земля от Солнца ежегодно получает 1000-1018 ккал энер-1 гни. Человечество использует пока во всех видах не бо­ лее 0,002% солнечной энергии. Поэтому задача прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, не­ смотря на большую сложность, требует своего разреше­ ния.

Коэффициент первого полупроводникового преобра­ зователя солнечной энергии (1930 г.) не превышал сотых долей процента. Элемент для преобразования световой энергии в электрическую, построенный в 1938 г. сотруд­ никами Ленинградского физико-технического института Б. Т. Коломийцем и Ю. П. Маслаковцем из сульфида таллия TI2S, использовал всего 1,1% падающей энергии. В .результате усилий многих ученых было выяснено, что наилучшим материалом для изготовления подобных уст­ ройств является кремний. Схема элемента кремниевой батареи приведена на рисунке 50. Свет падает на слой с дырочной проводимостью и сообщает энергию имеющим­ ся там свободным электронам. Они - переходят в ниже расположенный слой с электронной проводимостью. Так создается непрерывное движение электронов.

Кремниевые и германиевые полупроводниковые фото­

139