Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Таким образом, p-n-переход пропускает ток только в одном направлении, как, например, ламповый диод (триод без сетки, о котором мы уже говорили). Чтобы не выдумывать новое название, такое полупроводниковое устройство просто назвали диодом!

Выбирая подходящие полупроводники (например, арсенид галлия, GaAs) и легирующие примеси, можно сделать так, что рекомбинация между дырками и электронами будет сопровождаться сильным излучением света. Такие светоизлучающие диоды еще недавно использовали в качестве индикаторов, свидетельствующих о работе устройства (илл. 7), а сегодня вы видите их повсеместно в гирляндах, фарах автомобилей и других осветительных приборах с низким энергопотреблением. За прорыв в технологиях искусственного света Нобелевская премия по физике 2014 года была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамуре.

7. P-n-переход в состоянии равновесия. Неподвижные заряды (ионы примесей, которые отдали или приняли электрон) представлены красными квадратами. Зона проводимости пуста, за исключением нескольких движущихся электронов, обозначенных кружками со знаком (–). Валентная зона заполнена, за исключением нескольких движущихся дырок, обозначенных кружками со знаком (+). В области контакта между полупроводниками p- и n-типа электрические заряды накапливаются (см. илл. 6). Благодаря этим зарядам энергии Ферми по обе стороны перехода уравниваются

Фотоэлектрический эффект и солнечные батареи

Другие типы p-n-переходов, наоборот, вместо излучения света умеют превращать падающий на них свет в электрический ток – такое явление называется фотогальваническим эффектом.

Это свойство применяется в фотоэлектрических элементах, из которых состоят, к примеру, солнечные батареи. Предположим, что излученный солнцем фотон достаточной энергии попадает в полупроводник n-типа. Его поглощение приводит к образованию пары «электрон – дырка». Имеется вероятность, что дырка, прежде чем рекомбинировать с электроном, будет увлечена электрическим полем (Е = –dV/dx, в непосредственной близости от перехода на илл. 6) в область p, тогда как электрон останется в области n. Аналогичным образом, если фотон создает пару «электрон – дырка» в области p, то электрон имеет хорошие шансы перейти в n-область, в то время как дырка останется в зоне p. Таким образом, поглощение фотонов приводит к разделению зарядов: накоплению дырок в области p, а электронов – в области n. Эти носители заряда только и ждут возможности убежать от p-n перехода: электроны направятся в одну сторону, дырки – в противоположную.

8. Светоизлучающий диод (светодиод), работающий на p-n-переходе. Диоды, используемые для освещения, в отличие от лампы накаливания (см. главу 7, «От абсолютно черного тела к звездам»), излучают только видимый свет

Электродвижущая сила, вырабатываемая элементом солнечной батареи (илл. 9), составляет примерно 1 В, а сила тока – около 1 мА на квадратный сантиметр контакта. Поэтому необходимо соединить множество таких элементов последовательно, чтобы получить приемлемую электродвижущую силу, а также подключить множество этих контактов параллельно, чтобы получить достаточную силу тока. Таким образом, производство энергии с помощью солнечных панелей задействует большую площадь поверхности, а энергия на выходе относительно невелика – порядка 15 % от энергии падающего света. Несмотря на эти недостатки, солнечная энергия является отличной альтернативой ископаемым ресурсам, к тому же это неиссякаемый источник (см. главу 13). По оценкам исследователей, для удовлетворения текущих потребностей Франции в электроэнергии будет достаточно панелей солнечных батарей площадью в 5000 км² (конечно, если будет решена проблема хранения накопленной энергии). Эта величина соответствует площади диска диаметром в 80 км или площади крыш 200 000 домов по 25 м² каждая.

9. Принцип действия фотоэлемента. Поглощенные фотоны приводят к образованию в полупроводнике «электрон-дырочных» пар. При подключении внешней электрической цепи (слева) электроны приходят в движение: возникает электрический ток, который, к примеру, питает лампочку

Электроны на все случаи жизни

Приведенные выше примеры показывают, насколько чудесными материалами являются полупроводники. Они излучают свет, превращают свет в электричество, усиливают сигналы, соблюдают одностороннее движение… Применение полупроводников не ограничивается одной лишь электроникой. Их используют и в оптоэлектронике, находящейся на стыке оптики и электроники, примером которой являются светодиоды, и которая приобретает все большее значение по мере развития оптоволоконной связи (см. главу 2). Применяются полупроводники и в комбинациях механики и электроники, таких как MEMs и NEMs (Micro и Nano ElectroMechanical Systems, микро- и наноэлектромеханические системы): например, акселерометры размером менее 1 мм, которыми оснащены современные смартфоны.

От компьютера к квантовому компьютеру