Глеб Анфилов - Что такое полупроводник
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?
Попробуем повесить в каждом помещении те же испытанные помощники — ртутные термометры. Но разве одному человеку уследить за ними? Пришлось бы содержать целый штат курьеров. Зато, если вы откажетесь от ртутных термометров и замените их термосопротивлениями, задача решится очень легко. Провода, проложенные от термисторов из тысячи цехов, складов, лабораторий, быстро и надежно принесут показания о температуре на прибор в комнату коменданта. Отсюда — один шаг до централизованного автоматического управления отоплением.
Инженерам в наши дни приходится следить за температурой в таких местах, где обыкновенный термометр совсем неприменим. Попытайтесь-ка узнать с его помощью, как нагрета деталь где-нибудь в недрах сложной машины. Не выйдет. Хрупкий прибор туда не поднесешь, да и показания его не разглядишь. А ведь это нужно, чтобы предупреждать опасный перегрев трущихся частей, избегать плавления подшипников, устанавливать особенности работы механизмов в разных условиях.
Большую пользу сулят принести термисторы и нашему сельскому хозяйству. На Всесоюзной сельскохозяйственной выставке в павильоне «Ленинград — Северо-запад» большим успехом у посетителей пользуется стенд Ленинградского агрофизического института Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина. {31}
Вы увидите на этом стенде самые разнообразные электротермометры. Есть среди них длинные, многометровые штанги. Их вводят в ворох зерна и проверяют, не разогревается ли хлеб, не грозит ли ему порча, самовозгорание. Другие термисторы, похожие на кинжалы, агрономы весной втыкают в землю и узнают, как глубоко она прогрелась. Это очень помогает определять правильные сроки сева. Той же цели служит аппарат с характерным названием: «термопаук». Его проволочные «лапы» кончаются небольшими термисторами, которые фиксируют степень нагрева поверхности почвы, а стрелка прибора показывает среднюю температуру.
Но, пожалуй, интереснее всего здесь автоматический дистанционный электротермометр. В правлении колхоза или в избе-лаборатории стоит на столе небольшой аппарат, от которого тянутся провода в амбары, овощехранилища, закрома с семенами. Всюду там установлены термисторы. И чуть где-нибудь изменится необходимая, заранее заданная температура, на центральном аппарате раздается тревожный звонок. Это сигнал агроному: в хранилище нарушился температурный режим, надо принять срочные меры.
Дистанционные термометры — новое слово в сельскохозяйственном приборостроении.
Подобные устройства ждут применения и во многих других областях науки и техники.
Метеорологи нуждаются в сведениях о температуре заоблачных высот, геологи — глубоких недр земли. Во всех таких случаях самым простым и эффективным измерителем температуры зарекомендовал себя термистор.
ЧУТКАЯ ИГЛА
Заболела голова, по спине пробежал озноб. Вы ставите под мышку медицинский термометр и минут десять — пятнадцать сидите сложа руки — дожидаетесь, пока поднимется {32} ртутный столбик. Лениво работает прибор. Правда, в домашних условиях это не причиняет больших неудобств. Но в крупных больницах измерение температуры выливается в сложную процедуру. Иное дело — термистор.
Первыми у нас приспособили термосопротивление для медицинских целей московские физики А. Б. Фромберг и А. С. Егоров-Кузьмин. Приглашенный на испытание прибора профессор-медик за полсекунды измерил им температуру кожи на собственной руке! Потом профессор коснулся термистором кровеносного сосуда — и стрелка заметно передвинулась. Прибор уловил ничтожную разницу температуры. Врачи, обступившие профессора, пришли в восторг.
Позднее несколько типов подобных устройств — микроэлектротермометров — создал сотрудник Агрофизического института в Ленинграде В. Г. Карманов. Изобретатель дал им название «игла». Прибор похож по форме на отточенный карандаш. На конце — полупроводниковый шарик. Диаметр его — от 0,5 миллиметра до 50 микрон (50 микрон — толщина человеческого волоса). Крохотный кусочек полупроводника защищен снаружи тончайшей стеклянной оболочкой, в него введены две платиновые проволочки, подающие электрический ток.
Чтобы прибор работал быстрее, четче отзывался на перемены температуры, шарик сделан очень маленьким. Благодаря этому он скорее нагревается и остывает. «Игла» фиксирует неуловимые прежде колебания температуры, происходящие за десятые, даже за сотые доли секунды.
