50 лет советской физики

Лешковцев Владимир Алексеевич

Продолжая эти исследования, ученики А. Ф. Иоффе член-корреспондент АН СССР С. Н. Журков и академик А. П. Александров еще в 1933 г. получили бездефектные кварцевые и стеклянные нити, обладающие гигантской прочностью. Недавно в Физико-техническом институте АН СССР им. А. Ф. Иоффе было получено стекло с прочностью, в несколько раз превосходящей прочность стали.

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Другой областью физики, в которую академик А. Ф. Иоффе также внес вместе со своими учениками огромный общепризнанный вклад, является физика полупроводников. Сегодня нам трудно представить себе физику без этой весьма актуальной области, но тридцать с лишним лет назад, когда А. Ф. Иоффе занялся систематическим

исследованием свойств полупроводников, многие физики весьма критически отнеслись к этому начинанию. В то время казалось, что только металлы и диэлектрики являются материалами, достойными серьезных физических исследований. Проводники и изоляторы — это важно и нужно технике, а полупроводники, хотя к ним относится большинство природных соединений, — бесполезный и бесперспективный материал. Но академик А. Ф. Иоффе гениально предвидел ту огромную революционизирующую роль, которую уже сегодня полупроводники играют в технике.

На первых порах многое приходилось создавать — прежде всего методы получения достаточно чистых полупроводников и способы экспериментального определения их основных физических свойств: концентрации носителей тока, типа проводимости (электронный или дырочный), подвижности носителей и т. п. Многие из этих методов, впервые созданные А. Ф. Иоффе и его учениками, стали впоследствии классическими.

«Школа» Иоффе выполнила целую серию пионерских исследований электрических, гальваномагнитных, термоэлектрическях и фотоэлектрических свойств полупроводников различных типов.

Одним из важнейших результатов, полученных А. Ф. Иоффе и его сотрудниками, было обнаружение огромного влияния примесей на электрические свойства полупроводников. А. Ф. Иоффе показал, что примеси не только меняют в широких пределах проводимость полупроводников, но могут изменять даже знак носителей тока, превращать электронный полупроводник в дырочный и наоборот. Причем роль примеси могут играть не только чужеродные атомы, но и собственные атомы полупроводника при их избытке или недостатке. Например, избыток (против стехиометрического соотношения) атомов свинца в полупроводнике PbS делает этот полупроводник электронным, а избыток серы — дырочным полупроводником.

А. Ф. Иоффе первым сформулировал и экспериментально обосновал современные представления о механизме выпрямляющего действия полупроводников. Он показал, что запирающий слой образуется в результате контакта двух полупроводников с различными носителями тока — электронным и дырочным (по современной терминологии «p—n– переход»). При этом ток может свободно проходить только в том направлении, при котором электроны и дырки движутся навстречу друг другу по направлению к контакту, где они встречаются и рекомбинируют. В противоположном случае электроны и дырки расходятся друг от друга и проводимость контактного слоя резко падает, так как в нем остается крайне мало носителей тока. Эти работы открыли путь к созданию полупроводниковых выпрямителей (диодов).

Изучая полупроводниковые свойства ряда интерметаллических сплавов, принадлежащих так называемым «дальтонидам» (ZnSb, Mg₃Sb₂, Mg₂Sn и т. п.) — типичным циклическим соединениям с валентной связью, А. Ф. Иоффе создал метод получения полупроводников с изменяющимися в широких пределах свойствами.

Особенно большое внимание А. Ф. Иоффе уделял исследованиям термоэлектрических и фотоэлектрических свойств полупроводников. Используя эти свойства, можно создать новые методы прямого преобразования энергии тепла и света в электрическую энергию, более надежные и экономичные.

А. Ф. Иоффе разработал теорию термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников (использующих эффект Пельте), открыв для современной техники новую обширную область — полупроводниковую энергетику. Под его руководством были сконструированы десятки новых типов полупроводниковых приборов и энергетических устройств, получивших разнообразные практические применения.

ОТКРЫТИЕ

ЭКСИТ

В 1931 г. член-корреспондент АН СССР Яков Ильич Френкель теоретически предсказал весьма интересное физическое явление. Решая задачу о возбуждении атомов в идеальном кристалле, он показал, что возбужденное состояние, возникшее у какого-либо атома такого кристалла, не может быть локализовано там, где находится этот атом, а непременно должно перемещаться по кристаллу в виде своеобразной волны возбуждения. Френкель назвал эту волну экситоном.

Все дело в том, что, как показывают расчеты, энергия кристалла не изменится, если в таком же возбужденном состоянии окажется не первоначальный атом, возбужденный квантом поглощенного света, а любой другой атом кристалла. Состояния, в которых один из атомов кристалла оказывается возбужденным, физически неразличимы. Поэтому энергия возбуждения будет переходить от атома к атому подобно тому, как, согласно квантовой теории металлов, переходит от атома к атому свободный электрон, оказавшийся в зоне проводимости какого-нибудь металла. Ведь в действительности этот электрон не отрывается от атома и атом не ионизуется — свобода электрона состоит в том, что он может переходить от атома к атому без затраты какой-либо энергии ввиду перекрытия электронных оболочек соседних атомов.

Таким же квантовым эффектом является и передача возбужденного состояния в кристалле от атома к атому, составляющая суть движения экситона. Энергия возбуждения будет путешествовать от атома к атому до тех пор, пока один из получивших ее атомов не перейдет в нормальное невозбужденное состояние, испустив полученный им квант. Важно отметить, что перемещение энергии по кристаллу происходит без участия каких-либо прямых носителей, например, электронов или фотонов. Его даже нельзя рассматривать как результат испускания кванта одним атомом и поглощения его другим атомом. Энергия передается здесь особым способом, она переходит от возбужденного атома к соседнему невозбужденному и далее подобно волне возбуждения. Этот особый механизм передачи энергии в кристалле был назван миграцией энергии. Благодаря миграции экситонов поглощение и испускание света происходит в различных атомах, разделенных друг от друга расстоянием, намного превосходящим период кристаллической решетки. Поэтому такое свечение должно быть присуще только телам с кристаллической структурой.

Почти 20 лет никто не вспоминал об экситонах. Сам Я. И. Френкель к этому времени уже умер. Но вот в 1951 г. советские физики В. П. Жузе и С. М. Рывкин показали, что передача энергии поглощенного света фотоэлектронам в кристаллах закиси меди Cu₂O происходит так, как если бы в ней участвовали экситоны. В следующем году академик АН УССР С. И. Пекар показал, что спектральный состав света, поглощаемого экситонами, должен быть подобен по своему характеру спектру атома водорода. Этот спектр и был обнаружен членом-корреспондентом АН СССР Е. Ф. Гроссом путем весьма тонких оптических исследований. Оказалось, что он маскируется полосой основного (так называемого фундаментального) поглощения света в кристалле, а интенсивность поглощения света экситонами весьма невелика. Потребовалось немало ухищрений (например, охлаждение кристалла до T=−200 °C), прежде чем удалось обнаружить спектральную серию поглощения света экситонами. Помимо Cu₂O Е. Ф. Гросс обнаружил линии экситонного поглощения света также и у кристаллов сернистого кадмия.

Опыты Е. Ф. Гросса являются прямым экспериментальным доказательством существования экситонов. Они позволяют определять энергию, необходимую для образования экситонов, а также эффективную массу электронов в полупроводниковых кристаллах. Все это имеет весьма важное значение для развития наших представлений о природе кристаллов и разыгрывающихся в них процессах поглощения, передачи и излучения энергии.

Так советские физики вписали новую блестящую главу в историю физики твердого тела.