Одна из наиболее ярких и оригинальных страниц научного творчества А. Ф. Иоффе и его школы — это цикл работ по изучению физики полупроводников, давшей науке блестящие результаты, признанные во всем мире.
Внутренняя логика научного движения, прекрасная физическая интуиция, глубокое понимание физической сути явлений природы подвели А. Ф. Иоффе к необходимости изучения обширного класса веществ, занимающих промежуточное положение между диэлектриками и металлами. А. Ф. Иоффе был уверен, что изучение свойств полупроводников откроет путь к более глубокому пониманию физической сущности электрических свойств всей материи. «От... полупроводников открывается прямой путь к пониманию металлов, с одной стороны, и изоляторов, с другой», — говорил ученый.
Вряд ли можно представить современную технику и науку без полупроводников, а в начале 30-х годов, когда Иоффе выдвинул проблему их исследования, начинание Абрама Федоровича многими физиками было встречено весьма скептически. Несмотря на то что бóльшая часть таблицы Менделеева была заполнена именно веществами этого класса, полупроводники относили к разряду совершенно бесперспективного материала. Заслуга академика А. Ф. Иоффе заключается в том, что по отдельным имеющимся в то время фактам технического применения полупроводников он сумел понять и оценить огромную роль, которую им суждено было играть в сегодняшней науке и технике.
А. Ф. Иоффе наметил широкую программу исследований, с тем чтобы на основе разработанной теории можно было решать сложные технические задачи.
В 1930 г. исследование полупроводников находилось в своей начальной стадии, поэтому на первый план было выдвинуто всестороннее изучение их физических свойств. Абрам Федорович считал, что для полного понимания явлений, протекающих в полупроводниках, необходимо изучить механические, тепловые, электрические, оптические, магнитные и другие свойства полупроводников и их взаимосвязи в разнообразных внешних условиях.
Исследованиями была установлена зависимость проводимости полупроводников от температуры, электрического и магнитного полей. Анализ полученных данных позволил в первом приближении разобраться в природе собственной и примесной проводимости, электронном и дырочном механизме проводимости (понятие о дырочной проводимости было введено впервые) и влиянии примесей на проводимость полупроводников. С одной стороны, было установлено, что примеси не только влияют на силу тока в полупроводниках, но и кардинально меняют знак носителя тока, превращая дырочный полупроводник в электронный и наоборот. С другой стороны, выяснилось, что роль примесей играют не только чужеродные атомы, но и собственные, если они находятся в избытке или недостатке.
Изучая полупроводниковые свойства ряда интерметаллических сплавов, А. Ф. Иоффе создал метод получения полупроводников с изменяющимися в широких пределах свойствами. В этих исследованиях Абрам Федорович показал не только свое исключительное умение вскрывать внутренний механизм явлений, но и характерное для него стремление активно управлять свойствами веществ. Методика получения чистых полупроводниковых материалов, разработанная Иоффе, продолжает усовершенствоваться и в настоящее время, ибо для дальнейшего технического прогресса исключительно важно научиться получать сверхчистые полупроводники.
А. Ф. Иоффе и А. В. Иоффе совместно исследовали внутренний фотоэффект в кристаллах куприта и закиси меди. Было дано объяснение природы фотоэлектродвижущей силы и исследовалось спектральное распределение фотоэлектронов. На основании этого было сделано заключение о том, что механизм поглощения света в закиси меди обусловлен внутренним фотоэффектом.
Большое внимание Абрам Федорович уделял исследованиям термоэлектрических и фотоэлектрических свойств полупроводников. Используя эти свойства, можно было создать новые методы прямого преобразования энергии тепла и света в электрическую энергию. Если в начале работ (1930 г.) фотоэлементы превращали в электрическую энергию только сотые доли процента солнечной энергии, то перед Великой Отечественной войной был создан фотоэлемент из сернистого таллия с КПД 1%. Развивая дальше идею Иоффе о прямом преобразовании энергии, ученые создали фотоэлементы, КПД которых уже достигает 28%. Эти преобразователи нашли широкое применение в связи с работами по освоению космоса. Ученые всего мира продолжают работать над проблемой повышения КПД солнечных батарей. Если мы научимся с большой отдачей использовать солнечную энергию, то человечество получит практически неиссякаемый энергетический источник.
Другой большой цикл работ Абрама Федоровича и его сотрудников в области полупроводников был направлен на выяснение механизма контактного выпрямления. Было показано, что запирающий слой образуется в результате контакта двух полупроводников с разными видами проводимости. При этом ток свободно проходит только в том случае, когда электроны и дырки движутся навстречу друг другу по направлению к контакту, где они встречаются и рекомбинируются. В противоположном случае электроны и дырки расходятся и сопротивление контактного слоя резко возрастает. Эти работы открыли путь к созданию полупроводниковых выпрямителей (диодов).
Идеи А. Ф. Иоффе о выпрямлении послужили стимулом для развития теоретических и экспериментальных исследований как в нашей стране, так и за рубежом. Теоретические работы советских физиков Б. И. Давыдова, С. И. Пекара, Д. И. Блохинцева и др. привели к значительному прогрессу в этом направлении.
На основании эффекта Зеебека — Пельтье А. Ф. Иоффе создал теорию термоэлектрогенераторов и термоэлектрических охлаждающих устройств. Абрам Федорович выдвинул и теоретически развил проблему термоэлектрического обогрева помещений и кондиционирования воздуха в них. Созданная Иоффе теория термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников вооружила физиков и техников ясной перспективой. Дальнейшее свое развитие она нашла в работах многочисленных сотрудников и учеников замечательного ученого. В частности, была создана целая серия микрохолодильников и были сконструированы десятки различных охладительных устройств.
Работая над решением центральных теоретических проблем в области физики полупроводников, А. Ф. Иоффе никогда не забывал о долге советского ученого, обязывающего его способствовать своими исследованиями развитию народного хозяйства. Техническое воплощение физических идей было глубокой убежденностью ученого, многократно подтвержденной реальными делами.
В руководимом им коллективе наряду с научными исследованиями развивались работы по их техническому применению, проводилось широкое внедрение полученных результатов в отечественную промышленность. Так, например, были сконструированы новые вентильные фотоэлементы из сернистого таллия, которые обладали большой чувствительностью, порядка 6.000 — 10.000мкА/лм. Эти фотоэлементы были чувствительны не только к видимому свету, но и к инфракрасным лучам с длиной волны порядка 1,5 мкм. Твердые фотоэлементы нашли широкое применение, в частности в звуковом кино. Были также разработаны и сконструированы твердые выпрямители (из селена, закиси меди, сульфида меди и многих других соединений) для больших сил тока. Так, например, выпрямитель из сернистой меди с магниевым катодом допускал плотность тока до 20 А/см2, что в сотню раз превышало плотность тока в меднозакисных и селеновых выпрямителях.
Широкое применение в промышленности нашли термисторы — сопротивления с быстро падающей температурной характеристикой. Были сконструированы высоковольтные разрядники, тензометры, служащие для механических измерений, и многие другие полупроводниковые приборы, вызвавшие настоящий переворот в радиотехнике. Применение полупроводников позволило создать микроминиатюрные приборы, так необходимые для построения современных кибернетических машин.
Над проблемой полупроводников под руководством А. Ф. Иоффе работали его многочисленные ученики и сотрудники. Среди них А. В. Иоффе, И. В. Курчатов, Я. И. Френкель, И. К. Кикоин и многие другие.
Современная цивилизация не мыслима без полупроводников. И в том, что наша страна является одной из ведущих в мировых исследованиях физики полупроводников, немалая заслуга принадлежит энергии и прозорливости академика А. Ф. Иоффе. Абрам Федорович начал изучать полупроводники на 15 лет раньше, чем они сделались потребностью века. Открытие и исследование полупроводниковых свойств твердых тел в последние десятилетия привело к появлению полупроводниковой энергетики и электроники, достижения которых нашли многочисленные применения в атомной энергетике, автоматике, вычислительной технике, связи и т. д. Ученики и последователи А. Ф. Иоффе вплоть до наших дней открывают все новые и новые возможности различных применений полупроводникового материала.
Добавить комментарий