Изобретение полупроводников

(Об исследованиях фотоэффекта читайте здесь)

Здесь полезно, вероятно, привести несколько цифр: кванты ультрафиолетового света имеют энергию от 6,2 до 3,1 электронвольт (сокращенно — эВ), видимого от 3,1 до 1,6 эВ, ближнего инфракрасного — от 1,6 до 0,5, среднего и дальнего инфра-красного от 0,5 до 0,02 эВ. Один электронвольт — это энергия, которую электрон приобретает при разности потенциалов в один вольт.

Для внутреннего фотоэффекта подходят кванты сравнительно небольших энергий — ведь электрон остается внутри вещества, ему не нужно преодолевать энергетический барьер перед «вылетом» за пределы твердого тела. Энергия фотоактивного кванта в этом случае определяется строением электронных оболочек атомов данного вещества. У металлов электроны легко отрываются от родных атомов (для этого достаточно комнатной температуры), у диэлектриков — необыкновенно трудно, здесь даже ультрафиолет часто оказывается бесполезным.

Ученые обнаружили в Природе вещества, поведение которых зависит от внешних условий. В них при обычной температуре и в темноте почти нет свободных электронов, но освещение видимым или же инфракрасным светом совершает чудо — в этих веществах появляется множество носителей электрического заряда. Эти вещества получили название полупроводников. Например, для такого полупроводника, как германий, фотоактивным является излучение с длиной волны меньше 1,8 микрона, для полупроводникового кремния — с длиной волны 1,1 микрона и менее (ведь с уменьшением длины волны энергия кванта растет). Из подобных полупроводниковых веществ уже в наши дни удалось сделать прекрасные фотоэлементы. Причем им не нужна для работы электрическая батарейка…

Пытливый взгляд человека, его углубленное проникновение в окружающий мир обнаруживает новое в привычных, повседневных и казалось бы понятных явлениях природы.

Электрон, отрываясь от атома, оставляет его положительно заряженным. Положительный заряд за счет перескоков электронов тоже начинает путешествовать по полупроводниковой пленке или пластинке. Отрицательные и положительные заряды необходимо лишь «развести» к противоположным металлическим электродам — и фотоэлемент, световой генератор тока, готов.

Заряды легче всего разделить с помощью встроенного электрического поля, возникающего на границе двух пленок или слоев с разной проводимостью. Граница двух слоев играет роль шлагбаума-регулировщика, пропуская, например, в верхний слой фотоэлемента только отрицательные заряды и задерживая положительные, заставляя их накапливаться в нижнем слое.

На двухслойную пластинку или пленку падает излучение, и в цепи появляется рожденный светом электрический ток!

Мы привыкли сейчас к фотоэлементам. В электронном автомате, пропускающем нас в метро, роль неусыпного и бдительного стража играет луч света, падающий на фотоэлемент. Страстные футбольные болельщики видят по телевизору матч, происходящий на другом конце земного шара, благодаря спутнику-ретранслятору, аппаратура которого снабжается солнечной электроэнергией от сотен тысяч фотоэлементов, установленных на крыльях или корпусе спутника. Сведения о погоде в полярных и высокогорных областях Земли ученые получают от автоматических метеостанций, доставленных туда вертолетом. На каждой метеостанции — небольшая солнечная батарея, генератор электроэнергии. Качается на волнах бакен, запасающий в своем аккумуляторе энергию света, превращенную с помощью фотоэлементов в электрический ток. Горит всю ночь солнечный светлячок бакена, помогая морякам не сбиться с пути…

Недалеко то время, когда значительную часть электроэнергии для работы промышленности, средств связи и транспорта человечество будет получать от Солнца — с помощью огромных полупроводниковых солнечных батарей, расположенных в пустынях, в горах, на плавающих платформах в океанах и морях. И станет это возможным благодаря тому, что физики сумели многое понять в явлении фотоэффекта, отыскав в теории квантов путеводное начало к объяснению происходящих при этом процессов… Как сказал однажды Эйнштейн в статье, посвященной памяти Исаака Ньютона, «…творения интеллекта переживают шумную суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом и теплом». И озаряют, добавим мы, часто не только в переносном, но и в самом прямом смысле слова.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.