Физики о физиках - [35]

«Термоэлементы превращают тепловую энергию в электрическую без машин, без сложных конструкций. А если через термоэлемент пропускать электрический ток, то одни концы приборов нагреваются, а другие охлаждаются.

Прямое получение электроэнергии и прямое получение тепла и холода — заманчивые технические задачи, мечта инженерной мысли. Почему же электричество мы все еще производим с помощью паровых котлов, турбин и динамо-машин, а для охлаждения применяем сложные компрессорные устройства?

Дело в том, что пока электротехника ограничивалась для этих целей одними металлами, едва 0,1–0,2 процента затраченной теплоты превращались в электроэнергию, а при наибольших затратах электроэнергии достигалось охлаждение не более чем на шесть градусов.

Полупроводники снимают это ограничение. Так, создаваемые ими термоэдс в сотни раз больше, чем в металлах. Полупроводниковые термоэлементы могут уже использовать 8–9 процентов тепла и охлаждать на 60–80 градусов».

Но если теория полупроводников разработана достаточно полно и хорошо известны закономерности их поведения, то техническое воплощение идеи и прежде всего создание нужных полупроводниковых материалов — дело редкой сложности.

И если можно сказать, что вступление полупроводников в строй есть знамение новой техники, то надо отметить и обратное: лишь новая, нынешняя техника позволяет получить невиданно широкий спектр полупроводников с заранее заданными свойствами.

Первое и непременное условие такой селекции полупроводников — поистине «хирургическая», небывалая в истории техники чистота материалов и препаратов. Раньше пределом считалась очистка до сотых процента. Теперь не предел миллионные, даже миллиардные доли процента. Соблюдение абсолютной чистоты при изготовлении полупроводников требует, чтобы даже в самом воздухе не было ни малейших следов других материалов.

Еще на заре исследований Иоффе подчеркивал решающее влияние примесей на свойства полупроводников. Последующее тщательное изучение установило, сколь велико это влияние. Примеси не только чрезвычайно сильно меняют величину электропроводности; они могут изменить даже знак проводимости: из отрицательной, электронной она станет «дырочной», положительной, или наоборот.

Есть полупроводник — сернистый свинец. На один атом свинца приходится атом серы. Если в образце окажется некоторый избыток свинца, то он будет электронным полупроводником. А избыток серы сделает его дырочным полупроводником.

Значит, не только посторонние атомы — это примеси для полупроводника. Его собственные атомы, остающиеся «за бортом» химического соединения, становятся примесями: они создают или добавочные источники электронов, что влечет электронную проводимость, или, наоборот, центры прилипания электронов; тогда на месте уходящих электронов появляются «дырки» и возникает дырочная проводимость.

Таким образом, открывается широкий простор для всевозможных комбинаций полупроводников и получения материалов с желаемыми свойствами.

Развивалась теория, росла техника, и коэффициент полезного действия термоэлектрогенераторов неуклонно повышался. Какие же пути для его роста отыскивал Иоффе? Прежде всего повышение температуры. Температуру полупроводникового термоэлемента можно поднимать так высоко, как только позволяет жаростойкость материала. Поэтому первый путь сводится к поискам и созданию максимально жаростойких полупроводниковых материалов.

Но есть на этом пути и подводные камни. Такой термоэлемент — твердое тело, кристалл. Чем сильнее его греть, тем большими становятся тепловые колебания кристаллической решетки, а следовательно, непроизводительная затрата энергии. Иоффе со своими учениками нашел способ уменьшать, частично гасить тепловые колебания. Но это было все-таки паллиативное решение.

Если нельзя «улучшить» решетку, то, может быть, можно вовсе обойтись без нее? Иоффе предлагает совершенно новые типы термоэлементов — вакуумный и плазменный. «Рабочий газ» — электроны — теперь будет двигаться не между атомами кристаллической решетки, а в вакууме или в плазме.

Если при переходе от металлических термопар к полупроводниковым кпд поднялся от долей процента к процентам, то для термоэлектрогенераторов, работающих на новом принципе, он подходит уже ко второму десятку, и очевидны возможности дальнейшего значительного увеличения его.

Блестящая идея Иоффе усиленно развивается во всем мире. «Много лет мы изучали термоэлектрические свойства полупроводников и возможность их использования для практики, и мало кто этим интересовался за пределами нашей лаборатории, — вспоминал Иоффе. — Но как только появились технические перспективы, свыше 80 лабораторий в США и многочисленные лаборатории в других странах включились в работу по полупроводниковым термоэлементам».

Исследования Иоффе и его школы по полупроводникам — классика в самом высоком смысле этого слова. Недаром на всем земном шаре Иоффе зовут «отцом полупроводников», а его монографию «Полупроводниковые термоэлементы» — небольшую книгу, в которой нет и двухсот страниц, — за границей именуют «библией термоэлектричества». Недаром эта работа Иоффе стоит первой среди достижений науки, удостоенных Ленинской премии 1961 года.