книги из ГПНТБ / Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся

стие) металлов. Современная техника применяет тонкие нити многих твердых (сталь, нихром, молибден), полу­ твердых (латунь, бронза, никель) и мягких (медь, сереб­ ро) металлов и сплавов. Миллионы километров вольфра­ мовой нити строго заданной толщины необходимы элект­ ротехнической промышленности.

Просверленный с помощью электрической искры пли ультразвука алмаз—алмазная волока — закрепляют в надежной оправе. Волока применяется для протягивания проволоки толщиной от нескольких микронов до несколь­ ких миллиметров. Бесспорны преимущества алмазных во­ лок перед твердосплавными волоками, и тем более стальными. Для изготовления алмазных волок расходу­ ется около 3 млн. каратов алмазов в год.

Алмазные волоки применяют не только для прокатки металлов, но и для протягивания волокна. После прокат­ ки через алмазную волоку нить приобретает равномер­ ную толщину, особую гладкость и скользкость. Изготов­ ленная из таких нитей ткань не слипается. Где эти свойства могут найти применение? Например, в авиации. Парашют из такой ткани раскроется без помех. Планер, изготовленный с применением особо гладких тканей, об­ ладает большей скоростью и т. д.

Нашел применение алмаз и в металлообрабатываю­ щих цехах. Распространение получило алмазное шлифо­ вание и полирование кристаллом алмаза массой от 0,5 до 1 карата изделий из особо твердых сплавов. При этом по­ вышается чистота и упрочняется поверхность обработки.

Растущее производство твердых инструментальных сплавов и потребность в них потребовали изготовления особых режущих инструментов для их заточки. Порошко­ образный алмаз — отличный абразивный материал для заточки и доводки твердосплавных резцов, фрез, сверл, штампов и т. д. Алмазный абразив применяется и для резки, шлифования и полирования современных сверх­ твердых материалов. В качестве абразивного материала для доводки .различных изделий применяется алмазная паста.

Кроме перечисленных областей применения, алмаз используется и в других отраслях современной техники. В определенных условиях алмаз может стать полупро­ водником. Он стойко работает при 700°С—температуре, значительно превышающей интервалы применения крем­ ниевых и германиевых полупроводников. На этом не кон­

130

чается применение алмаза в полупроводниковой технике. Полупроводниковые кремний и германий (чистота 99,9999999%) подлежат сверхстерильной распиловке для изготовления транзисторных заготовок массой в несколь­ ко десятков миллиграммов. Сверхчистоту распила полу­ проводников с одновременным увеличением выхода гото­ вой продукции и производительности дают алмазные ди­ сковые пилы. Сверхчистота обеспечивается ничтожной истираемостью алмаза и его «личной» чистотой. Выход увеличивается в результате уменьшения канавки распи­ л а — ведь алмазная дисковая пила тонка, как бумага. Понятно и увеличение производительности, так как ни одни абразивный материал не в состоянии конкурировать с алмазом.

Опоры вращающихся осей особо точных приборов из­ готовлены из алмазов. Часы, хронометры, точные измери­ тельные приборы и т. д. обязательно содержат «камни» — опоры. На циферблатах ручных и карманных часов ука­ зано число таких опор: ведь от них зависит точность хода. В 11, 15, 18 и 23 камнях закреплены оси современ­ ных часов. С 1964 г. большинство камней изготавливают из синтетических алмазов. Десятки миллионов часов и из­ мерительных приборов с десятками камней производит за год наша промышленность. Таков объем еще одного применения алмазов.

Игла из алмаза является составной частью приборов для контроля профиля поверхности. Такие приборы со сложным названием «профилографпрофилометр» вы­ пускает завод «Калибр».

Применение алмазов и бриллиантов (алмазов, под­ вергнутых огранке) в качестве драгоценных камней не потеряло значения и в наши дни. 5—7% мировой добычи алмазов идет на изготовление украшений и пополнение государственных и частных сокровищниц. Собранию дра­ гоценных камней и ювелирных' изделий нашей страны, учитывая их огромное художественное и научное значе­ ние и большую материальную ценность, в 1922 г. было присвоено наименование Алмазного фонда РСФСР, а по­ зднее— Алмазного фонда СССР. Один из алмазов этого фонда — алмаз «Шах» (рис. 42) — имеет удивительную историю. Его масса 88,7 каратов, он найден в Восточной Индии в 1591 г. Алмазом владели многие правители. По­ следний владелец — персидский шах Хозрев-Мирза,— чтобы умилостивить царя Николая I за убийство в 1829 г.

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