{77}
ЧУДЕСНОЕ ЗЕРКАЛЬЦЕ
На маленький стальной кружок нанесли слой селена. Толщина его такая же, как у лезвия безопасной бритвы. Поверхность селена покрыли тончайшей и потому почти совершенно прозрачной пленочкой золота. От стали и золота сделали наружу металлические выводы. Сверху защитили прибор прозрачным лаком и заключили в пластмассовый корпус с широким круглым окном. Получилось нечто похожее на миниатюрное зеркальце, только тусклое. Это вентильный фотоэлемент — новый светочувствительный полупроводниковый прибор. Он имеет характерную особенность. Если фотосопротивление под действием света увеличивает ток, который поступает извне, скажем, из батарейки, то вентильный фотоэлемент не нуждается ни в какой подмоге. Осветите его — и он сам без всякой батарейки создаст электроэнергию, способную отклонить стрелку гальванометра.
В чем здесь дело?
Оказывается, слой полупроводника сделан здесь как бы двойным. Для изготовления прибора исходным {79} материалом послужил селен с дырочной электропроводностью. Именно он составляет нижнюю часть слоя. Но сверху в полупроводник перекочевали атомы из пленки золота. И эта добавка превратила дырочный селен в электронный. В приборе слились воедино два разнородных полупроводниковых слоя. Какую это играет роль?
ЭЛЕКТРОНЫ-«ПОГРАНИЧНИКИ»
Попытаемся выяснить, что происходит на месте соприкосновения электронного и дырочного полупроводников.
Допустим, что мы просто наложили пластинку электронного селена на пластинку дырочного селена. Как только пластинки соединились, электроны, которыми обильно насыщен электронный селен, начали перекочевывать в пограничную область пластинки дырочного селена. Но большое их количество перейти границу не смогло. Почему? Потому, что первые пришлые электроны, скопившись в дырочной пластинке, словно встали на стражу. Своим отрицательным зарядом они отталкивают назад все другие электроны, которые стремятся проникнуть в дырочную область. Одновременно из дырочной области перекочевывают дырки-«пограничники». Они тоже встают на стражу границы, только с другой стороны, и не пропускают через нее дырки из дырочной области. Так на границе образуется запирающий слой.
Такой слой отделяет электронный селен от дырочного и в нашем чудесном зеркальце — вентильном фотоэлементе.
Направим на фотоэлемент луч света. В электронной области полупроводника световой обстрел освобождает новые электроны. Они мечутся, сталкиваются и, не умещаясь в тоненькой области электронного селена, уходят в пленку золота. Иного пути ведь у них нет — в дырочную область дорога преграждена запирающим слоем.
{80}
Возникновение запирающего слоя на границе электронного и дырочного полупроводников.
В результате в золотой пленке накапливается избыток электронов, то есть отрицательный электрический заряд.
Во время светового обстрела в электронной области полупроводника возникает также некоторое количество неосновных носителей тока — дырок (всюду, где электроны покидают собственно полупроводниковый атом). А для дырок пограничный слой совсем не преграда. Ведь они ведут себя как положительно заряженные частицы. Положительный заряд — словно пропуск для прохода через границу. Электроны-«пограничники» свободно пропускают дырки через запирающий слой в дырочную область селена. Там образуется избыток положительного заряда, который накапливается на стальном кружке.
Итак, на золотой пленке — отрицательный полюс, на стальной подкладке — положительный. Соединим их проволочкой через гальванометр. Пока полупроводник освещен, течет ток и стрелка прибора отклоняется. Таков принцип работы вентильных фотоэлементов.
{81}
АВТОМАТ-ЛАБОРАНТ
Каждому приходилось сдавать кровь на медицинское исследование. Но все ли знают, как много лабораторного труда уходит на такие анализы!
Кровяные тельца — эритроциты — лаборант пересчитывает под микроскопом.
В нескольких квадратиках нужно точно подсчитать количество телец (а в каждом их бывает 60—70), сложить, затем помножить на определенное число. Нелегко это. Зрение напрягается, глаза очень скоро устают. И как ни старайся, все-таки подчас получается довольно большая ошибка: в ста тысячах телец иной раз не досчитывают десяти тысяч!
Теперь для таких анализов создан зрячий прибор-автомат — эритрогемометр. Вместо человеческих глаз в приборе работает вентильный селеновый фотоэлемент.
Видом и размером аппарат напоминает футляр портативной пишущей машинки. Внутри — лампочка, кассеты для стеклянных кюветов с кровью, светофильтры и фотоэлемент, а снаружи — гальванометр.
Кровь, разбавленную особым раствором, наливают в кювет. Его вкладывают в аппарат. Свет лампочки, пройдя через инфракрасный светофильтр, пронизывает кровь и попадает на фотоэлемент.
Эритрогемометр.
Чем больше в крови кровяных телец, тем меньше попадает на селеновый слой инфракрасных лучей. Стрелка прибора останавливается на цифре, соответствующей числу эритроцитов в поле зрения микроскопа. Эритрогемометр выполняет и другую лабораторную работу — определяет содержание в {82} крови красного вещества — гемоглобина. Точность анализов получается значительно выше, времени на них уходит в несколько раз меньше. Утомительный для глаз человеческий труд уже не нужен.
ПОМОЩНИК ХИРУРГА
В светлом операционном зале больницы идет обычная работа. Хирург поглощен сложной операцией. Вокруг — ассистенты, медицинские сестры. Каждый молча и сосредоточенно делает свое ответственное дело. В напряженной тишине слышатся спокойные команды: «скальпель», «пинцет», «ножницы», «проверьте кислород»...
«Проверьте кислород» — что это значит?
Это команда ассистенту: узнайте, достаточно ли кислорода в крови больного. Усыпленный наркозом, больной дышит редко, еле заметно поднимается его грудь. Случается, что легкие не могут вполне насытить животворным воздухом кровь. Тогда нужно искусственно вдохнуть в человека целительный кислород.
Как же определить его содержание в крови?
Обычно практикуют химические анализы. Но это долгий и трудоемкий способ. Постоянно следить за кровью невозможно.
Давно уже хирурги мечтали о приборе, который мог бы непрерывно контролировать количество кислорода в крови. И теперь такой аппарат — оксигемограф — к их услугам.
На мочку уха больного или, лучше, на тонкую часть ушной раковины надевают нечто похожее на серьгу «клипс». Это датчик аппарата — его чувствительный элемент. С одной стороны «серьги» вмонтирована лампочка со светофильтром, а с другой — миниатюрный селеновый вентильный фотоэлемент. Между ними — живая ткань, заполненная кровеносными сосудами. Фотоэлемент словно {83} видит ее на просвет. Когда кровь богата кислородом, ока светлая, и на селен проходит от лампочки много световых лучей. Поэтому и электрический ток в нем возникает сравнительно большой. Но как только кислорода становится меньше, кровь темнеет и ток, рожденный фотоэлементом, слабеет. Эти электрические колебания усиливаются и приводят в действие перо самописца, скользящее по разлинованной бумаге. При необходимости подача кислорода автоматически увеличивается. Хирург может спокойно вести операцию.
Вентильные фотоэлементы делают не только из селена. Мы уже знаем, что если бросить в печь медную проволочку, то на ней возникнет слой закиси меди. Закись меди и послужила материалом для первого в истории техники вентильного фотоэлемента. Делают такие приборы и из сернистого серебра. Оно особенно хорошо чувствует невидимые инфракрасные лучи. Есть еще вентильные фотоэлементы из сернистого таллия. Эти славятся необычайной быстротой действия. Ими удается заменять хрупкие вакуумные фотоэлементы в кинопроекторах (для воспроизведения звука).
СПИЧКА, ЗАЖЖЕННАЯ НА ЛУНЕ
В главе «На смену термометру» шла речь о полупроводниковых болометрах — чувствительных приемниках лучистой энергии. Поистине сказочной чуткостью обладают такие приборы, если вместо термистора там использовать особый вентильный фотоэлемент — фотодиод.
Изобретатель прибора — американец Дж. Сайв применил в качестве материала кристаллический полупроводниковый элемент германий. Специальной обработкой в нем создаются электронная и дырочная области, между которыми возникает запирающий слой. Включают фотодиод как фотосопротивление: последовательно с электрической {84} батарейкой невысокого напряжения. Батарейка включена так, чтобы создаваемое ею электрическое поле было направлено в сторону электрического поля запирающего слоя (направление поля принято от положительного полюса к отрицательному). Пограничная стража электронов как бы усиливается этим полем, и поэтому в темноте ток через прибор почти совсем не течет. Но вот на полупроводник падает луч света. Попав в область электронного германия, фотоны освобождают электроны и дырки. В обычном вентильном фотоэлементе дырки случайно, не спеша, переходят через запирающий слой. А здесь они подхватываются электрическим полем батарейки и перебегают границу дружно, все вместе, что создает заметный толчок тока в цепи прибора. Особенно резко реагирует прибор на инфракрасные лучи.
Еще более совершенен светочувствительный полупроводниковый прибор, получивший название фототриода или фототранзистора. Он не только улавливает световую энергию, отзываясь на освещение толчком тока, но и тут же усиливает этот электрический сигнал. Фототриод — своеобразный кристаллический умножитель электронов. Он как бы совмещает в себе фотодиод и полупроводниковый усилитель (о таких усилителях вы прочтете ниже — в последней главе).
Приведем примеры, характеризующие чувствительность фотодиодов и фототриодов. Самолет в ночной тьме обнаруживается ими лучше, чем радиолокатором. С их помощью можно составить карту теплового излучения загадочного Марса. Когда первый смельчак высадится на Луне, он сможет дать сигнал на Землю, просто чиркнув спичкой. Прибор уловит энергию вспышки за 380 тысяч километров.
Журнал «В защиту мира» писал о фототранзисторах: «Как и всегда, это замечательное открытие можно использовать как в созидательных, так и в разрушительных целях. Ракета, снабженная фототранзисторами, полетит {85} к городу, притягиваемая теплом, которое он излучает и которое невозможно замаскировать.
Ракета будет преследовать корабли, самолеты, все живое.
Американский генерал Арнольд рассказывал о том, что он чувствовал, когда его оставили в комнате наедине с одной из таких ракет — так называемой ракетой с «ищущей головкой». Ракета поворачивалась за ним на своем цоколе: ее привлекали инфракрасные лучи, создаваемые теплотой его тела. «Будем надеяться, — писал генерал Арнольд, — что эти чудовища никогда не выйдут из своих клеток».
Нельзя не согласиться с этими словами. Добавим только: еще лучше было бы не порождать смертоносных чудовищ, пользуясь великими победами человеческого знания.
ЛУЧ ВМЕСТО ПРОВОДА
Из самого принципа действия фотодиода и фототранзистора нетрудно понять, что подобные приборы работают быстро, мгновенно реагируют на перемены освещенности. Не говоря уже о воспроизведении звука в кино, это открывает множество других заманчивых возможностей их применения.
Уже давно самым простым и удобным в полевых условиях средством связи на недалекие расстояния {86} считался световой телеграф. Абоненты переговаривались, посылая друг другу световые сигналы. Длинный сигнал — тире, короткий сигнал — точка. Связь вели по азбуке Морзе.
Но, оказывается, на световом луче удается разговаривать не условными сигналами, а прямо голосом; даже музыку можно передавать, если потребуется.
Световой телефон несложен. Вы говорите в микрофон, там звук преобразуется в пульсации электрического тока. Пульсирующий ток поступает в электромагнит, где заставляет быстро двигаться маленькую стальную пластинку, поставленную поперек узкого светового луча. Пластинка рассекает луч в такт с импульсами микрофона. Этим «оперированным» лучом и передается разговор. Фотоэлемент приемника (в первых опытах обычное селеновое фотосопротивление) улавливает световые вспышки и, переделав их в электрические колебания, подает в телефонные наушники. Еще удобнее вести связь на невидимом инфракрасном луче. Он проходит сквозь дымку, туман.
«Лучевой», беспроволочный, телефон изобретен еще до появления радиосвязи. А теперь он весьма усовершенствован и оснащен полупроводниковыми приборами.
Кристаллы германия отличаются удивительной особенностью: они прозрачны для инфракрасного излучения. Через германиевую пластинку невидимый луч проходит почти не задерживаясь — как обычный свет сквозь стекло.
Теперь представьте себе такой опыт.
Германиевый фотодиод подключили к электрическому генератору и одновременно стали проверять его прозрачность для инфракрасных лучей. И тут открылось интересное явление: при переменах электрического напряжения инфракрасная прозрачность кристалла в том месте, где проходит запирающий слой, менялась. В зависимости от электрических импульсов диод то задерживал невидимый луч, то ослаблял его, то свободно пропускал. Это явление объясняется знакомыми уже нам пульсациями запирающего {87} слоя. Оно-то и положено в основу нового телефона.
На пути постоянного инфракрасного луча от лампочки ставят диод. К нему подводят усиленный микрофонный ток. Когда абонент говорит в микрофон, звуки его голоса преобразуются в колебания инфракрасной прозрачности кристалла. В результате невидимый луч, проходящий через диод вдаль, к абоненту, меняет свою силу точно в такт с колебаниями микрофонного тока.
Фототриод приемника издалека видит «подмигивания» передающего диода и превращает их в электрические сигналы, которые после усиления становятся снова звуком.
Отличительная черта такой передачи — острая направленность. Подслушать ее невозможно. Ведь чтобы перехватить разговор, надо прервать световой луч, но тогда и абоненты перестанут слышать друг друга.
Итак, человек делает «зрячими» приборы, ставит их на стражу своего здоровья, труда, поручает им работу, от которой прежде портилось зрение, даже заменяет ими свои глаза и уши. А некоторые фотоэлементы обладают замечательными свойствами, которых нет и у нашего глаза.
{88}