Реферат
з фізики
на тему:
«Напівпровідники у фізиці й техніці»
Ще зовсім недавно електротехніка застосовувала, а фізика вивчала лише граничні за своїми електричними властивостями матеріали: добре провідні метали або непровідні струм ізолятори.
На початку XX ст. вдалося встановити, що в металі струм переноситься електронами, а незначний струм, що спостерігається в ізоляторах, має електролітичний характер. Однак після перших успіхів електронної теорії металів і іонної теорії діелектриків дослідження наштовхнулося на низку труднощів, які вдалося вирішити тільки за допомогою нової квантової механіки протягом останнього десятиліття.
Найголовнішим труднощами в теорії металів були їх теплові властивості. З одного боку, електрони вільно переміщаються в металі, переносячи електричний струм, вирівнюючи температуру, створюючи термоелектрорушійної сили. Це означає, що в тепловому русі електрони беруть участь як самостійні частки, що рухаються серед атомів металу. Нагріваючи метал, потрібно повідомити енергію не тільки його атомам, по і вільним електронам. Число їх, судячи з оптичним властивостям металів, дорівнює кількості атомів. Електрони повинні отримати стільки ж теплової енергії, скільки отримав би газ, що складається з такого ж числа молекул.
На нагрівання одного грам-атома твердого тіла на 1 ° С потрібно близько 6 кал; па нагрівання грам-атома газу - 3 кал. Природно було б очікувати, що на нагрівання грам-атома металу на 1 ° С потрібно 9 кал на відміну від непровідних тіл, теплоємність грам-атома яких становить 6 кал. У дійсності, однак, теплоємність металів суттєво не відрізняється від теплоємності діелектриків.
Вихід з цих суперечностей, як і з ряду інших труднощів, був знайдений завдяки квантової механіки. Як в окремому атомі електрони можуть займати тільки строго певні квантові стани (чим і пояснюється, наприклад, поява в спектрі газів різких спектральних ліній), так і в цілому кристалі існують строго обмежені квантові стани, в яких можуть знаходитися електрони. Як в атомі, так і в кристалі не може бути двох електронів в одному і тому ж квантовому стані. Природно, що перш за все електронами заповнюються стану з найменшою енергією. Підрахунок показує, що при звичайних температурах, коли середня енергія теплового руху атомів складає близько 0.03 еВ (1 еВ - це енергія, якої набуває електрон, пройшовши в електричному полі різниця потенціалів в 1 В), електрони займають всі квантові стани з енергіями від нуля до 5-10 В. Тому енергія теплового руху 0.03 еВ мало впливає на середню енергію електронів, хоча останні і перебувають у тепловій рівновазі з атомами металу.
Квантова теорія встановила також, чим обумовлена різниця між провідниками і ізоляторами. У металах число можливих квантових станів значно більше, ніж число електронів. Тому, коли в металі створюється електричне поле, електрони мають можливість змінювати напрямок свого руху, переходячи в ті квантові стани, в яких їх швидкість направлена у бік діючої на них електричної сили. Електрони можуть також отримувати від електричного поля працю, переходячи в стану з більш високою енергією і віддаючи потім надлишкову енергію металу, - так відбувається нагрівання металу при проходженні струму.
Діелектрики відрізняються від металів не меншим числом електронів - їх стільки ж, якщо не більше. Вони не проводять струм тільки тому, що число квантових рівнів у них дорівнює кількості електронів і вільних рівнів немає. У діелектрику в електричному полі електрон не може змінити напрямок свого теплового руху, не може збільшити свою швидкість, так як при цьому він повинен був би перейти в нове квантове стан, який уже зайняте іншим електроном. Тому поле не може змінити тепловий рух електронів і, отже, не може створити електронний струм. Така фізична картина ідеального ізолятора.
Ті стану, які ми розглядали, були нормальні стани електронів. В окремому атомі ми знаємо і інші, так звані збуджені стани. Поглинувши певну енергію падаючого на атом світла або зустрічного електрона, електрон може перейти в атомі на одне з квантових станів підвищеної енергії. Повертаючись назад у нормальний стан, електрон віддає надлишок своєї енергії іншого атома або випускає його у вигляді електромагнітної світлової хвилі (фотона).
Аналогічними властивостями володіють електрони в твердому кристалічному тілі. Крім системи нормальних рівнів, які в ізоляторі зайняті електронами, завжди існують системи збуджених рівнів зі значно більшою енергією. Тільки електрони, які отримують достатню енергію, можуть перейти у такий стан. Джерелом цієї додаткової енергії може бути теплова енергія або поглинений світло (фотон з енергією hv, де н - частота світлових коливань, ah - постійна Планка, рівна 6.61 · 10 ~ 27 ерг-с). Чим більше різниця енергій збуджених і нормальних рівнів, тим менше число електронів при даній температурі отримує можливість перейти в нові квантові стани. При кімнатній температурі середня енергія теплового руху дорівнює 0.03 еВ. Якщо найменша енергія, необхідна для переходу в нові стани, складає, наприклад, 1 еВ, то лише незначна частина електронів може отримати таку енергію. При 2 еВ їх ще менше. Можна стверджувати, що у всіх діелектриках, в яких різниця енергії між нормальними і збудженими станами більше 0.02 еВ, всі електрони залишаються в нормальних станах. Отже, всі такі діелектрики не володіють електронною провідністю. Але поглинання світла достатньої частоти (2 еВ відповідають жовтого світла л ~ 600 ммк) може все ж перевести нормальні електрони на вільні рівні, де вони будуть брати участь у проходженні електричного струму. Це явище називається внутрішнім фотоефектом, а створений під впливом світла струм - фотоелектричним струмом. Визначивши найменшу частоту світла фотоефекту, ми можемо дізнатися енергію, необхідну для переходу з нормальних умов у порушені.
Крім теплового руху і світла, електронна провідність діелектрика може бути викликана і хімічними домішками. У кристалічній решітці, що складається з однакових іонів або атомів, часто спостерігаються порушення правильної структури. Іноді відсутні окремі іони, іноді іони решітки виявляються заміщеними іонами інших елементів або інший валентності; в кристалах можуть розміщуватися і додаткові атоми, включені в нормальну грати.
У всіх цих випадках, крім нормальних квантових рівнів кристала, з'являються додаткові рівні домішок з енергією, відмінної від енергії електронів решітки.
Часто енергія електронів домішки, займаючи проміжне положення між енергією нормальних і збуджених рівнів, виявляється ближчим до вільних станів, ніж енергія нормальних електронів. Якщо тепловий рух не дає нормальним електронам достатньої енергії для переходу у вільні стану, то для домішок теплової енергії може виявитися достатньо, щоб перевести частину електронів на вільні рівні і викликати провідність кристала.
Домішки можуть вплинути на електронне рівновагу і в іншому напрямку: частина нормальних електронів кристала може перейти на рівні енергії, створювані домішками, звільнивши відповідне число нормальних станів.
Ця обставина також повідомляє діелектрика здатність проводити електричний струм. Розглянемо докладніше, як відбувається в цьому випадку рух електронів. Коли електрон, що знаходився раніше в нормальному стані, переходить в одне зі станів, внесених домішками, і закріплюється там, то не тільки з'являються вільні стану з певною енергією і швидкістю, але в той же час в кристалі з відходом негативно зарядженого електрона в певному місці залишається надлишок позитивного заряду. Цей заряд може потім залучити один з сусідніх електронів, на місці якого виявиться тоді надлишок позитивного заряду. Такі переходи здійснюються під впливом теплового руху в найрізноманітніших напрямках. Ділянка кристала, де є недолік електрона, або, що те ж, надлишок позитивного заряду, переміщається самим хаотичним чином, подібно електрону, який бере участь в тепловому русі. Ми маємо враження, ніби позитивний заряд рухається в кристалі, тоді як насправді рухаються електрони, які заміщають вільні місця. Коли в діелектрику створено електричне поле, то заміщення вільного місця відбувається переважно за допомогою тих електронів, які прямують до позитивного заряду електричного поля, тобто в напрямку від негативного полюса до позитивного, а вільне місце переміщається при цьому на місце пішов електрона, т . тобто від позитивного полюса до негативного, за напрямком, в якому рухався б позитивний заряд, якщо б він міг переміщатися. Таким чином, вільне місце, залишене електроном, який перейшов на атоми домішки або у вільні порушені стану, ми можемо уподібнити вільному позитивного заряду.
Рух електронів в діелектрику може мати двоякий характер.
1. Ті електрони, які перейшли під впливом тепла чи світла у вільні порушені стану, отримують можливість переміщатися всередині діелектрика, переносячи струм і тепло.
2. Що залишилися після видалення електронів вільні місця серед нормальних квантових станів заміщуються сусідніми електронами так, як ніби рухається вільне місце зі своїм позитивним зарядом. Часто цей другий механізм струму називають струмом заміщення. Ми будемо його називати позитронних струмом (хоча вільні місця мають лише часткова схожість з позитронами) на відміну від електронної провідності першого роду.
Зрозуміло, в тому ж діелектрику одночасно може існувати провідність першого і другого роду в будь-яких пропорціях.
Як же дізнатися в кожному даному випадку, з яким механізмом провідності ми маємо справу? Найпростіший прийом - визначення знака термоелектрорушійної сили. Якщо ми нагріваємо кінець кристала, що володіє електронною провідністю, то тут створюється більше число рухомих електронів, що одержали велику кінетичну енергію. Електрони будуть йти з цього кінця в більшій кількості, ніж приходять туди більш повільні електрони з холодного кінця, де їх менше. Нагрітий: кінець заряджається позитивно, холодний - негативно, поки електричне поле в діелектрику НЕ компенсуватиме цього надлишкового догляду електронів, переганяючи назад електрони з негативного (холодного) кінця в більш теплий. Таким чином, в діелектрику з електронною провідністю нагрітий кінець виявляється тривало зарядженим позитивно по відношенню до холодного.
При позитронної провідності, навпаки, позитивні вільні місця йдуть з нагрітого кінця швидше, ніж вони приходять з холодного. Заміщають їх електрони зарядять нагрітий кінець негативно.
Інший прийом визначення механізму провідності - спостереження струму в магнітному полі (ефект Холла). Електричний струм відхиляється в магнітному полі в певний бік перпендикулярно як до напрямку струму, так і к. напрямку магнітного поля. У цей бік відхиляються заряди, які переносять струм. Якщо це електрони, то ця сторона діелектрика заряджається негативно. Якщо ж переміщуються вільні позитивні місця, то та сторона, в яку відхилився струм, заряджається позитивно.
Хімічні домішки, введені в діелектрик, можуть викликати провідність як першого, так і другого роду в залежності від того, чи є вони постачальниками електрона на вільні рівні або жe вносять в кристал рівні, на яких можуть закріпитися електрони нормальних рівнів.
Це відмінність двох пологів струму виявилося вельми важливим не тільки для дослідження провідності, але і для технічних застосувань електронних провідників.
Виходячи зі сказаного, ми легко можемо зрозуміти основні властивості цих провідників.
1. Чисті діелектрики, у яких різниця між енергією нормальних та збуджених станів перевищує 1 еВ, мають дуже малою провідністю. Але варто ввести в них деяку кількість домішки, як їх провідність зростає в тисячі й мільйони разів.
2. Домішки, легко віддають свої електрони (наприклад, атоми металу), викликають електронну провідність; домішки ж, легко приєднують електрони (кисень, сірка, хлор), викликають позитронно провідність.
3. З підвищенням температури електропровідність різко зростає і стає, навпаки, незмірно малої поблизу температури абсолютного нуля.
4. Починаючи з деякої частоти світло при поглинанні діелектриком створює фотопровідність.
5. Діелектрики, прозорі для всіх видимих променів (наприклад, алмаз, кам'яна сіль, кварц), виявляються ізоляторами. У самому справі, найбільша частота видимого фіолетового світла відповідає фотонам в 3 еВ.
Якщо цей світ ще не поглинається, це означає, що різниця між нормальними і збудженими рівнями енергії перевищує 3 еВ, а за цих умов при кімнатній температурі тільки ті електрони могли б перейти на вільні рівні, енергія яких у 100 разів більше середньої (0.03 еВ) . Таких електронів незмірно мало.
6. Введенням домішок можна підвищити електропровідність кристалів.
Але одночасно з'являється і забарвлення, тому що світло меншої частоти може тепер поглинатися, переводячи електрони домішок на вільні рівні або, навпаки, переводячи нормальні електрони кристала на рівні енергії, що належать домішок.
7. Матеріали, непрозорі для всіх видимих променів, аж до червоних (фотонів з енергією 1.5 еВ), навпаки, часто володіють значною провідністю, особливо якщо в них є домішки. Можливо, втім, поглинання світла і без фотоефекту.
Таким чином, поряд з металами і ізоляторами, ми вивчаємо зараз величезна різноманітність електронних провідників проміжного типу - напівпровідників.
Інтерес до них зріс не тільки тому, що, впливаючи на них світлом, теплом, сильними електричними полями або вводячи домішки, ми можемо в найширших межах змінювати їх електричні властивості і вивчати поведінку електричних зарядів у твердому тілі. За останні 10 років напівпровідники отримують все більш зростаючі технічні застосування завдяки двом притаманним їм властивостям: випрямляння і появі електрорушійних сил при освітленні. Ці властивості використовуються в випрямлячах змінного струму і твердих фотоелементах.
Випрямляч з закису міді складається з мідної пластини, на якій окисленням при температурі близько 1000 ° С створюється добре проводить шар закису міді. При цьому між міддю і закисом з'являється шар погано проводить закису товщиною в мільйонні або стотисячні частки сантиметра. Різниця в провідності обох шарів закису викликано тим, що в проводяться шарі є великий надлишок кисню (до 1%), що знижує його питомий опір до 100 Ом-см 2, тоді як тонкий прилягаючий до міді шар чистої закису володіє питомим опором близько 10 жовтня Ом · см 2.
Опір такій системи різко змінюється в залежності від напрямку струму. При однаковій прикладеної до випрямляча різниці потенціалів в 1, 2 або 3 В ми спостерігаємо струми в декілька ампер, коли мідь служить негативним електродом, тобто коли електрони йдуть з міді крізь тонкий шар чистої закису в насичену киснем і добре провідну закис міді. У зворотному напрямку при тих же напругах в 1 - 3 В струми становлять лише кілька міліампер. Перший напрямок струму називається пропускним, друге - запірним, а тонкий шар закису отримав назву запірного шару. Ставлення пропускного струму до запірного при однакових напругах носить назву коефіцієнта випрямлення. У хороших технічних випрямлячах воно досягає 10 000.
Існувало кілька пояснень роботи випрямляча. Всі вони виходили з того, що електрони легше проходять крізь запірний шар, коли вони йдуть з металу, де їх багато, ніж з закису міді, де їх мало. Проходження електронів ми з Я.І. Френкелем приписували того, що тонкий запірний шар стає прозорим у сильних електричних полях, створюваних вже напругою в 1 В. Справді, товщина цього шару всього кілька мільйонних сантиметра, отже, поле досягає декількох десятків або сотень тисяч вольт на 1 см. Пропускний струм ван Гель приписує виривання електронів з металу цим сильним полем.
Однак при найближчому вивченні інших випрямлячів всі ці уявлення виявилися невірними. У лабораторії Ленінградського фізико-технічного інституту були створені штучні випрямлячі, що складаються з напівпровідника, нанесеного на нього випаровуванням в порожнечі тонкого непровідного шару і металевого електрода. Пізніше такі ж досліди були розвинені в Німеччині.
Виявилося, що при товщині запірного шару близько однієї мільйонної сантиметри коефіцієнт випрямлення досягає найбільшого значення; при цьому запірний шар може складатися з будь-якого непровідного матеріалу - кварцу, шелаку, тонкої слюди. Найнесподіванішим чином з'ясувалося, що знак випрямлення змінюється в залежності від застосовуваного напівпровідника. У закису міді, селені, сірчистої міді пропускної струм тече, коли метал служить катодом. У окису цинку, окису алюмінію, навпаки, пропускної струм спостерігається, коли метал служить позитивним полюсом. Перші матеріали є напівпровідниками з позитронної провідністю, а другі - мають електронною провідністю.
Таким чином, знак випрямлення залежить не від металу і не від властивостей запірного шару, а від механізму провідності напівпровідника. На кордоні з металом завжди є достатня кількість як електронів, так і вільних позитивних місць при будь-якому напрямку струму. Навпаки, на кордоні між напівпровідником і запірним шаром умови переходу зарядів різко залежать від напряму струму.
Якщо струм в напівпровіднику переноситься електронами, то сильний струм може підтримуватися тільки в тому випадку, коли напівпровідник служить катодом і електрони з нього надходять через запірний шар у метал. При зворотному напрямку струму електрони, йдучи від прикордонного шару, створюють тут погано провідну верству, замикає струм.
Коли ми маємо напівпровідник, в якому переміщаються вільні позитивні місця (такими, як виявилося, і є матеріали технічних випрямлячів - закис міді, селен, сірчиста мідь), для пропускного струму напівпровідник повинен бути анодом. Тоді він доставляє до кордону запірного шару позитивні заряди, які переносять струм в негативно заряджений метал.
Існують напівпровідники, в яких ми можемо в сваволі створювати електронну або позитрони провідність, вводячи в них ті чи інші домішки. У цих випадках і знак випрямлення змінюється зі зміною механізму провідності. У тісному зв'язку з твердими випрямлячами стоять і тверді фотоелементи. Тут також обов'язковою умовою є присутність запірного шару, але, крім того, необхідно, щоб матеріал фотоелемента мав внутрішнім фотоефектом. По відношенню до знака фотоелемента, як і у випадку випрямлення, спочатку існували неправильні уявлення. Здавалося, що вирвані світлом електрони, проникаючи крізь запірний шар, заряджають метал негативним зарядом. Цей знак і спостерігався в перших технічних фотоелементах з закису міді і селену, в яких, як ми вже знаємо, має місце струм заміщення. Виявилося, однак, що в нових фотоелементах з сірчистого талію, створених у ЛФТИ, знак фотоструму зворотний - метал заряджається позитивно. Той же знак спостерігався у фотоелементах з сірчистого срібла, здійснених в Києві у Фізичному інституті Української Академії наук. В обох випадках ми маємо справу з електронним механізмом провідності. Втім, сірчистий талій можна зробити і провідником з позитивними зарядами, наситивши його надлишком сірки; тоді при висвітленні метал заряджається негативно.
Різниця між двома типами фотоелементів з сірчистого талію не обмежується знаком фотоефекту. У той час як при звичайному знаку фотоефекту чутливість фотоелемента до світла має такі ж значення, як і в раніше відомих елементах з закису міді і селену, а саме кілька сотень мікроампер на один люмен падаючого світла, серноталліевие фотоелементи з позитивним знаком фотоефекту дають до 8000 мкА на люмен і виявляються чутливими до невидимих інфрачервоних променів.
Яким чином світло, яка вириває негативні електрони, може заряджати метал позитивними зарядами? Це легко зрозуміти, якщо згадати, що, вириваючи електрони зі смуги нормальних рівнів, світло звільняє там вільні місця, створює позитивно заряджені рухомі ділянки, на які і переходять електрони з металу. Віддаючи ж свої електрони напівпровідника, метал заряджається позитивно.
Якщо б не існувало запірного шару, фотоелектричний струм не міг би створити помітною різниці потенціалів між металом і напівпровідником. Включення між ними такого тонкого шару, який, пропускаючи електрони, має в той же. час досить великим опором, забезпечує різницю потенціалів, рівну добутку сили фотоструму на опір запірного шару.
Таким чином, твердий фотоелемент з запірним шаром створює не тільки струм, але і електрорушійна сила, що досягає 0.3 В; отже, такий фотоелемент є джерелом електричної енергії, одержуваної за рахунок енергії поглиненого світла.
Який же ккд фотоелемента? У фотоелементах з закису міді і селену він становить для сонячного світла кілька сотих і до 0.1%. У фотоелементах з сірчистого талію ккд наближається до 1% При яскравому освітленні фотоструму тут досягають 0.1-0.2 А. Але навіть ккд в 1% не дає ще підстав для практичного використання сонячної енергії. На 1 м 2 поверхні сонце дає до 1 кВт потужності; отже, фотоелемент площею в 1 м 2 в сонячні дні міг би створювати струм потужністю в 10 Вт. Цей вихід енергії не може виправдати величезної вартості такого фотоелемента, соответствующею 1000 звичайних елементів.
Але якщо на даному етапі фотоелементи не можуть бути використані для перетворення сонячної енергії в електричну, то не можна заперечувати такої можливості в майбутньому. Подальший розвиток фотоелементів може довести їх ккд до декількох відсотків. З іншого боку, вартість їх виготовлення і стійкість по відношенню до атмосферних впливів можуть бути настільки поліпшені, що фотоелемент з запірним шаром може виявитися вигідним. Не треба забувати, що кількість сонячної енергії надзвичайно велике: 1 га отримує 10 000 кВт потужності, а 5% від них складає 500 кВт - енергію, достатню для великого заводу. Безсумнівно одне, що досягнення цієї мети вимагає ще подолання величезних труднощів.
Енергетичне використання сонячних променів - справа майбутнього. Але і зараз фотоелементи широко застосовуються в техніці; звукове кіно здійснюється за допомогою фотоелементів. Можливо, що фотоелементи із запірним шаром завдяки своїй простоті, відсутності паразитних струмів і шумів, відсутності високих напруг отримають перевагу перед застосовуваними зараз вакуумними фотоелементами з вторинним посиленням. Далі, фотоелементи з успіхом застосовуються для всіляких випадків сигналізації, для автоматичного рахунку, сортування, контролю виробництва. Можливо, що вони знайдуть застосування також у телебаченні і в самих різноманітних вимірювальних приладах. Перша система передачі зображень А. Корна була заснована на внутрішньому фотоефекті селену.
У багатьох кристалах з напівпровідників освітлення створює фотоелектродвіжущую силу, що досягає декількох сотих вольта і без запірного шару, роль якого грає опір самого кристала.
І.К. Кікоїн і М.М. Носков виявили, що, розміщуючи такі речовини в сильне магнітне поле, можна спостерігати ерс, що досягають 20 В, правда, при великому опорі зразка і при слабкому фотоструму. Практичного застосування ці явища поки не отримали.
Мало ще використані великі термоелектрорушійної сили, що виникають між двома напівпровідниками з різними температурами. У той час як в металах 1 ° різниці температур створює ерс порядку стотисячного вольта, в напівпровідниках ми отримуємо до 0.001 В. Знак термоелектрорушійної сили, як ми вже бачили, залежить від механізму провідності. З'єднавши два напівпровідника з протилежними механізмами струму і нагріваючи місце їх з'єднання, ми отримуємо суму ерс.
Термоелемент є приладом, який перетворює теплову енергію в електричну. Завдяки неминучим процесам теплопровідності з тих проводів, які несуть струм, ккд термоелементів набагато менше, ніж у теплових машинах. Термоелементи з металів дають не більше 1-2% електроенергії. Серед напівпровідників можна підібрати такі, що дають до 4%, і цю величину, мабуть, можна буде ще збільшити. Навіть при КПР в 10% термоелементи не можуть конкурувати з машинами, але завдяки крайньої простоти, відсутності рухомих частин, компактності для певних цілей термоелементи можуть отримати значення не тільки як вимірювачі температури і променевої енергії, але і як джерела струму.
Технічне застосування напівпровідників ще в майбутньому. Це - один з найбільш молодих і швидко зростаючих ділянок технічної винахідливості. Наша промисловість уже давно виробляє випрямлячі для цілей автоблокування. Зараз за розробленим ЛФТИ методу ставиться виробництво потужнострумових випрямлячів на сотні і тисячі ампер для електролізу, зарядки акумуляторів, виробництва алюмінію, магнію і для інших цілей, не вимагають високих напруг. Ставиться виробництво селенових випрямлячів, що мають певні переваги при низьких температурах і у вимірювальній апаратурі. Нарешті, в ЛФТИ розроблені нові сірчано-мідні випрямлячі з габаритами і вартістю в десятки разів меншими, ніж у інших типів.
Селенові фотоелементи виробляються в Харкові та Ленінграді в кількості декількох десятків тисяч на рік. Сірчано-талієву фотоелементи проходять ще стадію випробувань, після чого можна буде приступити до постановки виробництва і до широкого впровадження їх у практику.
Для фізичної теорії напівпровідники мають виняткове значення. Тут відкривається можливість вивчити електричні та оптичні властивості твердого тіла, квантові стани електронів, їх зв'язок з атомами речовини. І, дійсно, сучасні оптика і електроніка твердого тіла будуються на вивченні напівпровідників. Зростаючий технічний досвід збагачує теорію, а теорія у свою чергу відкриває нові шляхи поліпшення та застосування напівпровідників. Прикладами цього можуть служити фотоелементи й випрямлячі, технічний досвід виготовлення яких відкрив явище запірного шару і відмінність знака випрямлення. А квантова теорія, пояснивши зв'язок знака з механізмом випрямлення, вказала шлях раціонального удосконалення фотоелемента і випрямляча.
В області напівпровідників наочно проявляється взаємна обумовленість теорії і практики. Напівпровідники представляють тому вдячне поле для вивчення технічної фізики, для винахідництва і для автоматизації виробничих процесів.
з фізики
на тему:
«Напівпровідники у фізиці й техніці»
Ще зовсім недавно електротехніка застосовувала, а фізика вивчала лише граничні за своїми електричними властивостями матеріали: добре провідні метали або непровідні струм ізолятори.
На початку XX ст. вдалося встановити, що в металі струм переноситься електронами, а незначний струм, що спостерігається в ізоляторах, має електролітичний характер. Однак після перших успіхів електронної теорії металів і іонної теорії діелектриків дослідження наштовхнулося на низку труднощів, які вдалося вирішити тільки за допомогою нової квантової механіки протягом останнього десятиліття.
Найголовнішим труднощами в теорії металів були їх теплові властивості. З одного боку, електрони вільно переміщаються в металі, переносячи електричний струм, вирівнюючи температуру, створюючи термоелектрорушійної сили. Це означає, що в тепловому русі електрони беруть участь як самостійні частки, що рухаються серед атомів металу. Нагріваючи метал, потрібно повідомити енергію не тільки його атомам, по і вільним електронам. Число їх, судячи з оптичним властивостям металів, дорівнює кількості атомів. Електрони повинні отримати стільки ж теплової енергії, скільки отримав би газ, що складається з такого ж числа молекул.
На нагрівання одного грам-атома твердого тіла на 1 ° С потрібно близько 6 кал; па нагрівання грам-атома газу - 3 кал. Природно було б очікувати, що на нагрівання грам-атома металу на 1 ° С потрібно 9 кал на відміну від непровідних тіл, теплоємність грам-атома яких становить 6 кал. У дійсності, однак, теплоємність металів суттєво не відрізняється від теплоємності діелектриків.
Вихід з цих суперечностей, як і з ряду інших труднощів, був знайдений завдяки квантової механіки. Як в окремому атомі електрони можуть займати тільки строго певні квантові стани (чим і пояснюється, наприклад, поява в спектрі газів різких спектральних ліній), так і в цілому кристалі існують строго обмежені квантові стани, в яких можуть знаходитися електрони. Як в атомі, так і в кристалі не може бути двох електронів в одному і тому ж квантовому стані. Природно, що перш за все електронами заповнюються стану з найменшою енергією. Підрахунок показує, що при звичайних температурах, коли середня енергія теплового руху атомів складає близько 0.03 еВ (1 еВ - це енергія, якої набуває електрон, пройшовши в електричному полі різниця потенціалів в 1 В), електрони займають всі квантові стани з енергіями від нуля до 5-10 В. Тому енергія теплового руху 0.03 еВ мало впливає на середню енергію електронів, хоча останні і перебувають у тепловій рівновазі з атомами металу.
Квантова теорія встановила також, чим обумовлена різниця між провідниками і ізоляторами. У металах число можливих квантових станів значно більше, ніж число електронів. Тому, коли в металі створюється електричне поле, електрони мають можливість змінювати напрямок свого руху, переходячи в ті квантові стани, в яких їх швидкість направлена у бік діючої на них електричної сили. Електрони можуть також отримувати від електричного поля працю, переходячи в стану з більш високою енергією і віддаючи потім надлишкову енергію металу, - так відбувається нагрівання металу при проходженні струму.
Діелектрики відрізняються від металів не меншим числом електронів - їх стільки ж, якщо не більше. Вони не проводять струм тільки тому, що число квантових рівнів у них дорівнює кількості електронів і вільних рівнів немає. У діелектрику в електричному полі електрон не може змінити напрямок свого теплового руху, не може збільшити свою швидкість, так як при цьому він повинен був би перейти в нове квантове стан, який уже зайняте іншим електроном. Тому поле не може змінити тепловий рух електронів і, отже, не може створити електронний струм. Така фізична картина ідеального ізолятора.
Ті стану, які ми розглядали, були нормальні стани електронів. В окремому атомі ми знаємо і інші, так звані збуджені стани. Поглинувши певну енергію падаючого на атом світла або зустрічного електрона, електрон може перейти в атомі на одне з квантових станів підвищеної енергії. Повертаючись назад у нормальний стан, електрон віддає надлишок своєї енергії іншого атома або випускає його у вигляді електромагнітної світлової хвилі (фотона).
Аналогічними властивостями володіють електрони в твердому кристалічному тілі. Крім системи нормальних рівнів, які в ізоляторі зайняті електронами, завжди існують системи збуджених рівнів зі значно більшою енергією. Тільки електрони, які отримують достатню енергію, можуть перейти у такий стан. Джерелом цієї додаткової енергії може бути теплова енергія або поглинений світло (фотон з енергією hv, де н - частота світлових коливань, ah - постійна Планка, рівна 6.61 · 10 ~ 27 ерг-с). Чим більше різниця енергій збуджених і нормальних рівнів, тим менше число електронів при даній температурі отримує можливість перейти в нові квантові стани. При кімнатній температурі середня енергія теплового руху дорівнює 0.03 еВ. Якщо найменша енергія, необхідна для переходу в нові стани, складає, наприклад, 1 еВ, то лише незначна частина електронів може отримати таку енергію. При 2 еВ їх ще менше. Можна стверджувати, що у всіх діелектриках, в яких різниця енергії між нормальними і збудженими станами більше 0.02 еВ, всі електрони залишаються в нормальних станах. Отже, всі такі діелектрики не володіють електронною провідністю. Але поглинання світла достатньої частоти (2 еВ відповідають жовтого світла л ~ 600 ммк) може все ж перевести нормальні електрони на вільні рівні, де вони будуть брати участь у проходженні електричного струму. Це явище називається внутрішнім фотоефектом, а створений під впливом світла струм - фотоелектричним струмом. Визначивши найменшу частоту світла фотоефекту, ми можемо дізнатися енергію, необхідну для переходу з нормальних умов у порушені.
Крім теплового руху і світла, електронна провідність діелектрика може бути викликана і хімічними домішками. У кристалічній решітці, що складається з однакових іонів або атомів, часто спостерігаються порушення правильної структури. Іноді відсутні окремі іони, іноді іони решітки виявляються заміщеними іонами інших елементів або інший валентності; в кристалах можуть розміщуватися і додаткові атоми, включені в нормальну грати.
У всіх цих випадках, крім нормальних квантових рівнів кристала, з'являються додаткові рівні домішок з енергією, відмінної від енергії електронів решітки.
Часто енергія електронів домішки, займаючи проміжне положення між енергією нормальних і збуджених рівнів, виявляється ближчим до вільних станів, ніж енергія нормальних електронів. Якщо тепловий рух не дає нормальним електронам достатньої енергії для переходу у вільні стану, то для домішок теплової енергії може виявитися достатньо, щоб перевести частину електронів на вільні рівні і викликати провідність кристала.
Домішки можуть вплинути на електронне рівновагу і в іншому напрямку: частина нормальних електронів кристала може перейти на рівні енергії, створювані домішками, звільнивши відповідне число нормальних станів.
Ця обставина також повідомляє діелектрика здатність проводити електричний струм. Розглянемо докладніше, як відбувається в цьому випадку рух електронів. Коли електрон, що знаходився раніше в нормальному стані, переходить в одне зі станів, внесених домішками, і закріплюється там, то не тільки з'являються вільні стану з певною енергією і швидкістю, але в той же час в кристалі з відходом негативно зарядженого електрона в певному місці залишається надлишок позитивного заряду. Цей заряд може потім залучити один з сусідніх електронів, на місці якого виявиться тоді надлишок позитивного заряду. Такі переходи здійснюються під впливом теплового руху в найрізноманітніших напрямках. Ділянка кристала, де є недолік електрона, або, що те ж, надлишок позитивного заряду, переміщається самим хаотичним чином, подібно електрону, який бере участь в тепловому русі. Ми маємо враження, ніби позитивний заряд рухається в кристалі, тоді як насправді рухаються електрони, які заміщають вільні місця. Коли в діелектрику створено електричне поле, то заміщення вільного місця відбувається переважно за допомогою тих електронів, які прямують до позитивного заряду електричного поля, тобто в напрямку від негативного полюса до позитивного, а вільне місце переміщається при цьому на місце пішов електрона, т . тобто від позитивного полюса до негативного, за напрямком, в якому рухався б позитивний заряд, якщо б він міг переміщатися. Таким чином, вільне місце, залишене електроном, який перейшов на атоми домішки або у вільні порушені стану, ми можемо уподібнити вільному позитивного заряду.
Рух електронів в діелектрику може мати двоякий характер.
1. Ті електрони, які перейшли під впливом тепла чи світла у вільні порушені стану, отримують можливість переміщатися всередині діелектрика, переносячи струм і тепло.
2. Що залишилися після видалення електронів вільні місця серед нормальних квантових станів заміщуються сусідніми електронами так, як ніби рухається вільне місце зі своїм позитивним зарядом. Часто цей другий механізм струму називають струмом заміщення. Ми будемо його називати позитронних струмом (хоча вільні місця мають лише часткова схожість з позитронами) на відміну від електронної провідності першого роду.
Зрозуміло, в тому ж діелектрику одночасно може існувати провідність першого і другого роду в будь-яких пропорціях.
Як же дізнатися в кожному даному випадку, з яким механізмом провідності ми маємо справу? Найпростіший прийом - визначення знака термоелектрорушійної сили. Якщо ми нагріваємо кінець кристала, що володіє електронною провідністю, то тут створюється більше число рухомих електронів, що одержали велику кінетичну енергію. Електрони будуть йти з цього кінця в більшій кількості, ніж приходять туди більш повільні електрони з холодного кінця, де їх менше. Нагрітий: кінець заряджається позитивно, холодний - негативно, поки електричне поле в діелектрику НЕ компенсуватиме цього надлишкового догляду електронів, переганяючи назад електрони з негативного (холодного) кінця в більш теплий. Таким чином, в діелектрику з електронною провідністю нагрітий кінець виявляється тривало зарядженим позитивно по відношенню до холодного.
При позитронної провідності, навпаки, позитивні вільні місця йдуть з нагрітого кінця швидше, ніж вони приходять з холодного. Заміщають їх електрони зарядять нагрітий кінець негативно.
Інший прийом визначення механізму провідності - спостереження струму в магнітному полі (ефект Холла). Електричний струм відхиляється в магнітному полі в певний бік перпендикулярно як до напрямку струму, так і к. напрямку магнітного поля. У цей бік відхиляються заряди, які переносять струм. Якщо це електрони, то ця сторона діелектрика заряджається негативно. Якщо ж переміщуються вільні позитивні місця, то та сторона, в яку відхилився струм, заряджається позитивно.
Хімічні домішки, введені в діелектрик, можуть викликати провідність як першого, так і другого роду в залежності від того, чи є вони постачальниками електрона на вільні рівні або жe вносять в кристал рівні, на яких можуть закріпитися електрони нормальних рівнів.
Це відмінність двох пологів струму виявилося вельми важливим не тільки для дослідження провідності, але і для технічних застосувань електронних провідників.
Виходячи зі сказаного, ми легко можемо зрозуміти основні властивості цих провідників.
1. Чисті діелектрики, у яких різниця між енергією нормальних та збуджених станів перевищує 1 еВ, мають дуже малою провідністю. Але варто ввести в них деяку кількість домішки, як їх провідність зростає в тисячі й мільйони разів.
2. Домішки, легко віддають свої електрони (наприклад, атоми металу), викликають електронну провідність; домішки ж, легко приєднують електрони (кисень, сірка, хлор), викликають позитронно провідність.
3. З підвищенням температури електропровідність різко зростає і стає, навпаки, незмірно малої поблизу температури абсолютного нуля.
4. Починаючи з деякої частоти світло при поглинанні діелектриком створює фотопровідність.
5. Діелектрики, прозорі для всіх видимих променів (наприклад, алмаз, кам'яна сіль, кварц), виявляються ізоляторами. У самому справі, найбільша частота видимого фіолетового світла відповідає фотонам в 3 еВ.
Якщо цей світ ще не поглинається, це означає, що різниця між нормальними і збудженими рівнями енергії перевищує 3 еВ, а за цих умов при кімнатній температурі тільки ті електрони могли б перейти на вільні рівні, енергія яких у 100 разів більше середньої (0.03 еВ) . Таких електронів незмірно мало.
6. Введенням домішок можна підвищити електропровідність кристалів.
Але одночасно з'являється і забарвлення, тому що світло меншої частоти може тепер поглинатися, переводячи електрони домішок на вільні рівні або, навпаки, переводячи нормальні електрони кристала на рівні енергії, що належать домішок.
7. Матеріали, непрозорі для всіх видимих променів, аж до червоних (фотонів з енергією 1.5 еВ), навпаки, часто володіють значною провідністю, особливо якщо в них є домішки. Можливо, втім, поглинання світла і без фотоефекту.
Таким чином, поряд з металами і ізоляторами, ми вивчаємо зараз величезна різноманітність електронних провідників проміжного типу - напівпровідників.
Інтерес до них зріс не тільки тому, що, впливаючи на них світлом, теплом, сильними електричними полями або вводячи домішки, ми можемо в найширших межах змінювати їх електричні властивості і вивчати поведінку електричних зарядів у твердому тілі. За останні 10 років напівпровідники отримують все більш зростаючі технічні застосування завдяки двом притаманним їм властивостям: випрямляння і появі електрорушійних сил при освітленні. Ці властивості використовуються в випрямлячах змінного струму і твердих фотоелементах.
Випрямляч з закису міді складається з мідної пластини, на якій окисленням при температурі близько 1000 ° С створюється добре проводить шар закису міді. При цьому між міддю і закисом з'являється шар погано проводить закису товщиною в мільйонні або стотисячні частки сантиметра. Різниця в провідності обох шарів закису викликано тим, що в проводяться шарі є великий надлишок кисню (до 1%), що знижує його питомий опір до 100 Ом-см 2, тоді як тонкий прилягаючий до міді шар чистої закису володіє питомим опором близько 10 жовтня Ом · см 2.
Опір такій системи різко змінюється в залежності від напрямку струму. При однаковій прикладеної до випрямляча різниці потенціалів в 1, 2 або 3 В ми спостерігаємо струми в декілька ампер, коли мідь служить негативним електродом, тобто коли електрони йдуть з міді крізь тонкий шар чистої закису в насичену киснем і добре провідну закис міді. У зворотному напрямку при тих же напругах в 1 - 3 В струми становлять лише кілька міліампер. Перший напрямок струму називається пропускним, друге - запірним, а тонкий шар закису отримав назву запірного шару. Ставлення пропускного струму до запірного при однакових напругах носить назву коефіцієнта випрямлення. У хороших технічних випрямлячах воно досягає 10 000.
Існувало кілька пояснень роботи випрямляча. Всі вони виходили з того, що електрони легше проходять крізь запірний шар, коли вони йдуть з металу, де їх багато, ніж з закису міді, де їх мало. Проходження електронів ми з Я.І. Френкелем приписували того, що тонкий запірний шар стає прозорим у сильних електричних полях, створюваних вже напругою в 1 В. Справді, товщина цього шару всього кілька мільйонних сантиметра, отже, поле досягає декількох десятків або сотень тисяч вольт на 1 см. Пропускний струм ван Гель приписує виривання електронів з металу цим сильним полем.
Однак при найближчому вивченні інших випрямлячів всі ці уявлення виявилися невірними. У лабораторії Ленінградського фізико-технічного інституту були створені штучні випрямлячі, що складаються з напівпровідника, нанесеного на нього випаровуванням в порожнечі тонкого непровідного шару і металевого електрода. Пізніше такі ж досліди були розвинені в Німеччині.
Виявилося, що при товщині запірного шару близько однієї мільйонної сантиметри коефіцієнт випрямлення досягає найбільшого значення; при цьому запірний шар може складатися з будь-якого непровідного матеріалу - кварцу, шелаку, тонкої слюди. Найнесподіванішим чином з'ясувалося, що знак випрямлення змінюється в залежності від застосовуваного напівпровідника. У закису міді, селені, сірчистої міді пропускної струм тече, коли метал служить катодом. У окису цинку, окису алюмінію, навпаки, пропускної струм спостерігається, коли метал служить позитивним полюсом. Перші матеріали є напівпровідниками з позитронної провідністю, а другі - мають електронною провідністю.
Таким чином, знак випрямлення залежить не від металу і не від властивостей запірного шару, а від механізму провідності напівпровідника. На кордоні з металом завжди є достатня кількість як електронів, так і вільних позитивних місць при будь-якому напрямку струму. Навпаки, на кордоні між напівпровідником і запірним шаром умови переходу зарядів різко залежать від напряму струму.
Якщо струм в напівпровіднику переноситься електронами, то сильний струм може підтримуватися тільки в тому випадку, коли напівпровідник служить катодом і електрони з нього надходять через запірний шар у метал. При зворотному напрямку струму електрони, йдучи від прикордонного шару, створюють тут погано провідну верству, замикає струм.
Коли ми маємо напівпровідник, в якому переміщаються вільні позитивні місця (такими, як виявилося, і є матеріали технічних випрямлячів - закис міді, селен, сірчиста мідь), для пропускного струму напівпровідник повинен бути анодом. Тоді він доставляє до кордону запірного шару позитивні заряди, які переносять струм в негативно заряджений метал.
Існують напівпровідники, в яких ми можемо в сваволі створювати електронну або позитрони провідність, вводячи в них ті чи інші домішки. У цих випадках і знак випрямлення змінюється зі зміною механізму провідності. У тісному зв'язку з твердими випрямлячами стоять і тверді фотоелементи. Тут також обов'язковою умовою є присутність запірного шару, але, крім того, необхідно, щоб матеріал фотоелемента мав внутрішнім фотоефектом. По відношенню до знака фотоелемента, як і у випадку випрямлення, спочатку існували неправильні уявлення. Здавалося, що вирвані світлом електрони, проникаючи крізь запірний шар, заряджають метал негативним зарядом. Цей знак і спостерігався в перших технічних фотоелементах з закису міді і селену, в яких, як ми вже знаємо, має місце струм заміщення. Виявилося, однак, що в нових фотоелементах з сірчистого талію, створених у ЛФТИ, знак фотоструму зворотний - метал заряджається позитивно. Той же знак спостерігався у фотоелементах з сірчистого срібла, здійснених в Києві у Фізичному інституті Української Академії наук. В обох випадках ми маємо справу з електронним механізмом провідності. Втім, сірчистий талій можна зробити і провідником з позитивними зарядами, наситивши його надлишком сірки; тоді при висвітленні метал заряджається негативно.
Різниця між двома типами фотоелементів з сірчистого талію не обмежується знаком фотоефекту. У той час як при звичайному знаку фотоефекту чутливість фотоелемента до світла має такі ж значення, як і в раніше відомих елементах з закису міді і селену, а саме кілька сотень мікроампер на один люмен падаючого світла, серноталліевие фотоелементи з позитивним знаком фотоефекту дають до 8000 мкА на люмен і виявляються чутливими до невидимих інфрачервоних променів.
Яким чином світло, яка вириває негативні електрони, може заряджати метал позитивними зарядами? Це легко зрозуміти, якщо згадати, що, вириваючи електрони зі смуги нормальних рівнів, світло звільняє там вільні місця, створює позитивно заряджені рухомі ділянки, на які і переходять електрони з металу. Віддаючи ж свої електрони напівпровідника, метал заряджається позитивно.
Якщо б не існувало запірного шару, фотоелектричний струм не міг би створити помітною різниці потенціалів між металом і напівпровідником. Включення між ними такого тонкого шару, який, пропускаючи електрони, має в той же. час досить великим опором, забезпечує різницю потенціалів, рівну добутку сили фотоструму на опір запірного шару.
Таким чином, твердий фотоелемент з запірним шаром створює не тільки струм, але і електрорушійна сила, що досягає 0.3 В; отже, такий фотоелемент є джерелом електричної енергії, одержуваної за рахунок енергії поглиненого світла.
Який же ккд фотоелемента? У фотоелементах з закису міді і селену він становить для сонячного світла кілька сотих і до 0.1%. У фотоелементах з сірчистого талію ккд наближається до 1% При яскравому освітленні фотоструму тут досягають 0.1-0.2 А. Але навіть ккд в 1% не дає ще підстав для практичного використання сонячної енергії. На 1 м 2 поверхні сонце дає до 1 кВт потужності; отже, фотоелемент площею в 1 м 2 в сонячні дні міг би створювати струм потужністю в 10 Вт. Цей вихід енергії не може виправдати величезної вартості такого фотоелемента, соответствующею 1000 звичайних елементів.
Але якщо на даному етапі фотоелементи не можуть бути використані для перетворення сонячної енергії в електричну, то не можна заперечувати такої можливості в майбутньому. Подальший розвиток фотоелементів може довести їх ккд до декількох відсотків. З іншого боку, вартість їх виготовлення і стійкість по відношенню до атмосферних впливів можуть бути настільки поліпшені, що фотоелемент з запірним шаром може виявитися вигідним. Не треба забувати, що кількість сонячної енергії надзвичайно велике: 1 га отримує 10 000 кВт потужності, а 5% від них складає 500 кВт - енергію, достатню для великого заводу. Безсумнівно одне, що досягнення цієї мети вимагає ще подолання величезних труднощів.
Енергетичне використання сонячних променів - справа майбутнього. Але і зараз фотоелементи широко застосовуються в техніці; звукове кіно здійснюється за допомогою фотоелементів. Можливо, що фотоелементи із запірним шаром завдяки своїй простоті, відсутності паразитних струмів і шумів, відсутності високих напруг отримають перевагу перед застосовуваними зараз вакуумними фотоелементами з вторинним посиленням. Далі, фотоелементи з успіхом застосовуються для всіляких випадків сигналізації, для автоматичного рахунку, сортування, контролю виробництва. Можливо, що вони знайдуть застосування також у телебаченні і в самих різноманітних вимірювальних приладах. Перша система передачі зображень А. Корна була заснована на внутрішньому фотоефекті селену.
У багатьох кристалах з напівпровідників освітлення створює фотоелектродвіжущую силу, що досягає декількох сотих вольта і без запірного шару, роль якого грає опір самого кристала.
І.К. Кікоїн і М.М. Носков виявили, що, розміщуючи такі речовини в сильне магнітне поле, можна спостерігати ерс, що досягають 20 В, правда, при великому опорі зразка і при слабкому фотоструму. Практичного застосування ці явища поки не отримали.
Мало ще використані великі термоелектрорушійної сили, що виникають між двома напівпровідниками з різними температурами. У той час як в металах 1 ° різниці температур створює ерс порядку стотисячного вольта, в напівпровідниках ми отримуємо до 0.001 В. Знак термоелектрорушійної сили, як ми вже бачили, залежить від механізму провідності. З'єднавши два напівпровідника з протилежними механізмами струму і нагріваючи місце їх з'єднання, ми отримуємо суму ерс.
Термоелемент є приладом, який перетворює теплову енергію в електричну. Завдяки неминучим процесам теплопровідності з тих проводів, які несуть струм, ккд термоелементів набагато менше, ніж у теплових машинах. Термоелементи з металів дають не більше 1-2% електроенергії. Серед напівпровідників можна підібрати такі, що дають до 4%, і цю величину, мабуть, можна буде ще збільшити. Навіть при КПР в 10% термоелементи не можуть конкурувати з машинами, але завдяки крайньої простоти, відсутності рухомих частин, компактності для певних цілей термоелементи можуть отримати значення не тільки як вимірювачі температури і променевої енергії, але і як джерела струму.
Технічне застосування напівпровідників ще в майбутньому. Це - один з найбільш молодих і швидко зростаючих ділянок технічної винахідливості. Наша промисловість уже давно виробляє випрямлячі для цілей автоблокування. Зараз за розробленим ЛФТИ методу ставиться виробництво потужнострумових випрямлячів на сотні і тисячі ампер для електролізу, зарядки акумуляторів, виробництва алюмінію, магнію і для інших цілей, не вимагають високих напруг. Ставиться виробництво селенових випрямлячів, що мають певні переваги при низьких температурах і у вимірювальній апаратурі. Нарешті, в ЛФТИ розроблені нові сірчано-мідні випрямлячі з габаритами і вартістю в десятки разів меншими, ніж у інших типів.
Селенові фотоелементи виробляються в Харкові та Ленінграді в кількості декількох десятків тисяч на рік. Сірчано-талієву фотоелементи проходять ще стадію випробувань, після чого можна буде приступити до постановки виробництва і до широкого впровадження їх у практику.
Для фізичної теорії напівпровідники мають виняткове значення. Тут відкривається можливість вивчити електричні та оптичні властивості твердого тіла, квантові стани електронів, їх зв'язок з атомами речовини. І, дійсно, сучасні оптика і електроніка твердого тіла будуються на вивченні напівпровідників. Зростаючий технічний досвід збагачує теорію, а теорія у свою чергу відкриває нові шляхи поліпшення та застосування напівпровідників. Прикладами цього можуть служити фотоелементи й випрямлячі, технічний досвід виготовлення яких відкрив явище запірного шару і відмінність знака випрямлення. А квантова теорія, пояснивши зв'язок знака з механізмом випрямлення, вказала шлях раціонального удосконалення фотоелемента і випрямляча.
В області напівпровідників наочно проявляється взаємна обумовленість теорії і практики. Напівпровідники представляють тому вдячне поле для вивчення технічної фізики, для винахідництва і для автоматизації виробничих процесів.