Техника - молодёжи 1940-08-09, страница 13

Академик А. Ф. ИОФФЕ

Еще десять лет назад электротехника применяла только два вида материалов: металлические проводники :И изоляторы, совсем или почти совсем не проводящие электрический ток.

Удельное сопротивление металлов выражается стотысячными долями ома, а сопротивление изоляторов — многими миллиардами омов. Между этими крайними пределами лежит громадная область так называемых полупроводников с самыми различными физическими и химическими свойствами. «

До Недавнего времени из полупроводников применялись только электролиты, которые встречаются в аккумуляторах и электрохимических производствах. Но сейчас наука подходит к освоению так называемых электронных полупроводников. В них прохождение тока, как и в металлах, «е сопровождается никакими «юбочными химическими изменениями вещества. Их не изучали физики, они не «применялись в технике. А между тем в полупроводниках крылись важнейшие источники нашего познания электричества, интереснейшие химические проблемы и богатые возможности практического использования. Почти все, что окружает нас в неорганической природе, должно быть отнесено к полупроводникам. Таковы окислы, сульфиды, почти все минералы и некоторые 'элементы.

Сейчас положение меняется 'на наших глазах. В электрофизике полупроводники начинают занимать центральное место: на их изучении строятся и современная теория твердого тела и новое понимание связи электрических зарядов с веществом. Своеобразные свойства полупроводников открыли обширное поле для технических применений и новые заманчивые перспективы. Так, появляются твердые выпрямители переменного тока, твердые фотоэлементы, оксидная изоляция, стабилизаторы напряжения, предохранители высоковольтных сетей от перенапряжения; автоматика и телеуправление техническими процессами широко пользуются полупроводниками.

В соответствии с таким развитием электрофизики Физико-технический институт Академии наук сосредоточил сейчас рвое внимание на исследовании полупроводников к их применении.

Уже в 1913 г. благодаря работам известного датского ученого Нильса Бора выяснилось, что в каждом атоме электрон может обладать только рядом вполне определенных значений «энергии, которые вычисляются квантовой теорией. Принято говорить, что электрон

находится при этом в определенном квантовом состоянии, или на определенном уровне энергии. Это состояние характеризуется, грубо говоря, тем, что электрон вращается вокруг ядра атома на известном расстоянии от него и с определенной скоростью и, стало быть, обладает соответствующей величиной энергии. Переход из одного квантового состояния в другое происходит не постепенно, а скачками.

Спустя пятнадцать лет квантовая теория стала проникать и в электрофизику твердого тела — сначала металлов, Академик А, Ф. Иоффе. а затем и полупроводников. Согласно этой теории, при образовании из отдельных атомов твердого кристалла весь кристалл следует рассматривать как одну громадную молекулу, в которой электроны, так же как в атоме, могут занимать лишь вполне определенные квантовые состояния. И в каждом из этих состояний может находиться только один электрон. Он может изменить свою энергию или направление своей скорости только в том случае, если перейдет в новое квантовое состояние, еще не занятое другим электроном. Это дало возможность объяснить различие между металлом, полупроводником и изолятором.

В металлах число -доступных для электронов квантовых состояний гораздо больше числа самих электронов, поэтому электрон под воздействием электрических сил легко может изменить свое состояние, например начать двигаться вправо, если до этого он двигался влево, увеличить или уменьшить свою скорость и т. п. Электрические силы могут создать в металле одностороннее движение электронов, которое мы называем электрическим током.

Не то в изоляторах: здесь число возможных квантовых состояний как раз равно числу электронов; все доступные уровни заняты. Поэтому электроны могут только обмениваться своими состояниями. Но этот обмен не? может проявиться заметным образом, так как электроны неотличимы друг от друга. Если, например, число электронов, двигающихся вправо и влево, одинаково, то никакое внешнее воздействие не может заставить преобладающую часть электронов начать двигаться в одну сторону и создать таким образом односторонний поток электронов, то есть электрический ток. (И в изоляторе имеется большое

//