# Полупроводник с изменяемой геометрией крыла

Леонид Александрович Ашкинази

Полупроводник с изменяемой геометрией крыла


Оптимальная форма крыльев самолета зависит от скорости, с которой он должен лететь: чем скорость выше, тем сильнее крылья должны быть прижаты к фюзеляжу. Что делать, если самолет должен уметь летать на разных скоростях? Приходится довольствоваться неким "оптимальным" выбором, позволяющим не слишком плохо справляться со всеми задачами. Или можно изобрести самолет с изменяемой геометрией крыла и, если уровень развития науки и техники позволит, рассчитать и изготовить самолет, складывающий крылья перед тем, как обогнать звук. Сделать такую вещичку настолько сложно, что она распространена - по крайней мере, на сегодня - не слишком широко.


Полупроводник и его параметры


Полупроводник - это вещество с проводимостью, промежуточной между проводимостью металла и диэлектрика и определенным образом зависящей от температуры. Но для нас сейчас важно другое: то, что параметры полупроводника в основном зависят от его химического состава. Теперь представим себе, что нам потребовался кусок вещества с разными параметрами в разных точках. Ну что ж, нанесем на повержность полупроводника другой элемент, дадим ему продиффундировать внутрь - и готово: на разных глубинах - разный состав и разные свойства. Действительно, в технике полупроводников поступают именно так - и получают образец с изменяющейся по глубине, например, проводимостью. Однако некоторые параметры нельзя заставить изменяться этим способом. Впрочем, до какого-то момента в этом нужды и не возникало.


Батарейки вокруг нас


Одно из любимых занятий человека - согревать окружающую среду. Причем не только льды Антарктиды, но и пески Сахары. Что бы ни делал человек, он выделяет часть энергии в виде тепла в окружающую среду. А остальную энергию? Остальную энергию он использует более разумно - перемещает грузы, изготавливает вещества и вещи, посылает зонды "Пионер" и "Вояджер" в глубокий космос. А откуда он берет энергию? Либо из глубин Земли в виде нефти, газа, угля и урана, либо от Солнца - в основном через гидроэнергию (испарение - облака - осадки - реки). Запасы всего, что есть в Земле, ограниченны, вдобавок, сжигая углеводороды, мы загрязняем среду. Поэтому возникла более чем разумная мысль: рано или поздно придется перейти на питание от Солнца. Кроме того, если человечество перестанет жечь нефть, оно вдвое сократит бюджет мирового терроризма, что тоже будет неплохо (вторая половина бюджета - торговля наркотиками). Однако строительство ГЭС - очень дорогое удовольствие, на природу они влияют плохо, да и не везде их построишь. Великие сибирские реки есть не у всех.


Существует и другой способ использовать энергию Солнца - солнечные батареи. Это полупроводниковые приборы, которые вырабатывают электрическую энергию. Они вполне успешно работают на косических аппаратах, а в США вдоль некоторых автострад стоят аварийные телефоны с такими батареями. Но в массовом масштабе - так, чтобы потеснить нефть, - солнечные батареи пока не применяются. Причина проста и обидна - у них мал кпд. "При чем здесь это?! - удивитесь вы, - кпд важен, когда мы преобразуем энергию ограниченного источника: сжигаем ту же нефть или газ, а солнечный свет - он же есть в любых количествах. Все равно все преобразуется в тепло, так что кпд не имеет значения: сделаем батарей побольше и будем иметь ту же мощность". Увы, это не так. Солнечные элементы надо изготовить, а их производство само по себе весьма энергоемко и дорого, их надо монтировать и по мере порчи заменять и т. д. В итоге получается, что стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, выше, чем от традиционных источников. Не в "разы", а немного - скажем, вдвое. Однако этой разницы достаточно, чтобы большая энергетика базировалась на нефти и мирном атоме.


Но если удастся увеличить кпд солнечных батарей вдвое, проблема будет решена. Что происходит при попадании кванта света в солнечную батарею? Квант проходит какое-то расстояние в материале, поглощается и передает свою энергию либо электронам, либо решетке (ионам). Передача энергии решетке -это нагрев, передача электронам -создание электродвижущей силы: то, что и есть наша цель. Эффективность передачи энергии электронам зависит от многих параметров, но в первую очередь от так называемой ширины запрещенной зоны. Это параметр полупроводника, некий аналог "энергии ионизации" -энергия, необходимая для превращения валентного электрона в электрон проводимости. Ширина запрещенной зоны зависит от основного состава и не зависит от примесей. Поэтому данный параметр не удается изменять методом, указанным в начале статьи. Но не беда - найдем полупроводник с оптимальным составом, и - вперед.


Разноцветное Солнце


Посмотрите на лист бумаги. Какого он цвета? Правильно, белого. В солнечном свете имеются излучения с разными длинами волн; действуя на глаз совместно, они порождают в мозгу ощущение белого. А действуя на полупроводник, они порождают уменьшение кпд: если подобрать состав, оптимальный для поглощения одной части излучения, он будет плох для работы с другой. Задача представляется неразрешимой: не может один и тот же материал иметь разную ширину запрещенной зоны, как не может один и тот же самолет иметь крылья разной стреловидности. Однако самолет может ее менять по мере изменения скорости.


Разумеется, можно - теоретически - разделить солнечный свет фильтрами на полосы (синий, зеленый, красный) и для каждой полосы использовать солнечные батареи из своего материала. Но интерференционные фильтры дороги, а все прочие поглощают излучение. Однако сам полупроводник отчасти является фильтром - он поглощает излучение в зависимости от длины волны. Коротковолновое излучение поглощается в верхнем слое, а длинноволновое проникает глубже. Возникает мысль, кажущаяся очень естественной теперь, когда она уже известна. Сделать полупроводник переменного состава по глубине, стало быть, с переменной шириной запрещенной зоны, подобрав ход изменения состава так, чтобы на каждой глубине ширина этой самой зоны была оптимальна для "превращения" в электроны именно тех квантов, которые поглощаются на этой глубине. При этом надо быть готовым к двум проблемам ─ одной, хоть и сложной, но в принципе разрешимой, и второй, которая могла вообще не иметь решения. Первая: изменяя состав полупроводника, мы изменяем и поглощение им фотонов. Поэтому в один проход такую задачу не решить - даже если создать материал с переменным составом удастся, нас ждет трудоемкий процесс оптимизации, подгонки "профиля концентраций", распределения концентраций по глубине.


Другая проблема принципиальнее. Материал переменного состава для солнечной батареи не должен содержать дислокаций, которые уменьшают концентрацию электронов проводимости. Поэтому его можно создать только на основе материалов, у которых решетки очень близки. Ни много ни мало, а 88 лет назад уже было известно два полупроводника с разным составом и одинаковыми решетками ─ GaAs и AlAs. Но второй неустойчив во влажной атмосфере; можно, конечно, вакуумировать прибор, а сейчас, наверное, нашлись бы и другие решения, но тогда игра показалась не стоящей свеч.


В 1963 году Ж.И.Алферов и Г.Кремер независимо предложили идею лазера на гетероструктуре, и группа Алферова сделала такой лазер на структуре GaAs/GaAsP. Решетки совпадали не очень хорошо, и из-за наличия дислокаций генерацию удавалось получить только при низких температурах. В 1966 году Д.Н.Третьяков предложил состав GaAs/AlGaAs - и через четыре года лазер заработал, наконец, при комнатной температуре. Для практических применений это существенно - нужно ли делать специальное охлаждение, или устройство милостиво согласится работать так.


Имея два полупроводника с разными составами и одинаковыми решетками, можно решать разные технические задачи. Понятно, что если таких веществ несколько, то это еще лучше. Например, в солнечном свете не два сорта квантов, а множество "сортов", со всеми энергиями, значит, лучше всего, чтобы состав полупроводника и ширина запрещенной зоны изменялись по глубине не скачком, а плавно. Но, естественно, при сохранении постоянных параметров решетки. Между тем. в соединении AlGaAs есть только одна переменная величина - содержание Al: AlxGa1-xAs, и это ограничивает значения ширины запрещенной зоны, которые можно получить. Решение было найдено в виде четверных соединений, например InxGa1-xAsyP1-y. Для каждого значения x можно подобрать такое y, что решетка совпадет с решеткой GaAs. Но каждому подобранному таким способом сочетанию x и y будет соответствовать свое значение ширины запрещенной зоны.


Когда мы подберем изменение состава по глубине в полупроводнике так, чтобы он был оптимален для преобразования квантов, поглощающихся на этой глубине, то кпд возрастет более чем вдвое - до 35%. Когда люди научатся получать такие параметры стабильно и в массовых масштабах, ОПЕК сможет отправиться на заслуженный отдых.


И другие применения


С помощью гетероструктур, возможно, удастся продвинуться в решении еще одной энергетической проблемы. Если все-таки в качестве источника энергии использовать горючее, то полученное тепло надо преобразовать в электричество. Причем это не солнечное излучение - температура излучателя составляет меньше 1500оС. Обычно для дальнейшего пребразования применяют цепочку котел - турбина - электрогенератор. А можно поставить полупроводниковый преобразователь излучения, по сути дела ту же солнечную батарею, но оптимизированную не под излучение Солнца, а под излучение керамического блока, нагреваемого горящим топливом.


Любое техническое решение применимо в нескольких областях. Гетероструктуры используются в транзисторах для систем спутникового телевидения, в полупроводниковых лазерах для CD-драйвов, в светодиодах. Каждое такое применение важно и интересно, и большинство статей начинается их перечнем. Но ни одно из этих применений не может быть названо жизненно необходимым для человечества.


В отличие от проблем большой энергетики, которые рано или поздно сведутся к солнечным батареям.