Оглавление базы знаний о О. В. Лосеве

ГЛАВА XIII.

В ЛЕНИНГРАДЕ.

В конце 1928 года Олег Владимирович Лосев с другими сотрудниками Нижегородской Радиолаборатории переехал в Ленинград. Центральная Радиолаборатория ВЭСО (Трест заводов слаботочной промышленности), известная всем радиолюбителям и радиоспециалистам под символическим обозначением параметров колебательного высокочастотного контура «CRL», помещалась в относительно небольшом трехэтажном здании на Петроградской стороне на улице Лопухинке, переименованной позже в улицу академика Павлова, по соседству с Павловским институтом экспериментальной физиологии. Это здание не могло обеспечить площадью нужды всех сотрудников своего возросшего почти в четыре раза коллектива. В него кроме группы нижегородцев влилось значительное число выдающихся радиоспециалистов и ленинградских ученых. На дворе в спешном порядке было достроено здание для лаборатории высокочастотных машин проф. В.П. Вологдина, на улице Грота были спешно подготовлены помещения для экспериментальных ламповых передатчиков и мощного выпрямительного питающего устройства. Работы же исследовательского характера по радиоприему, электроакустике, телевидению и др. были сосредоточены в заканчивавшемся отделкой просторном здании на Каменном острове, вблизи от исторического дуба, по преданию посещенного Петром I.

Так разместилась вакуумная физико-техническая лаборатория, руководство которой было поручено Б.А. Остроумову. Ее коллектив составили из нижегородцев – О.В. Лосев, С.И. Моругина, Меньшиков, Г.Н. Тархов, и стеклодув С.И. Богомолов, а из ленинградцев – В.Н. Лепешинская, В.Н. Рождественский и некоторые другие.

В новой обстановке Центральной Радиолаборатории, куда влилась Нижегородская Радиолаборатория, все было непривычно и первое время как-то чуждо. На новом месте, во вновь построенном здании, необходимо было разместить свои приборы, приспособления и создать привычную атмосферу лабораторной обстановки. С другой стороны, Ленинград со своими первоклассными институтами открывал исключительные перспективы в работе, о которых трудно было мечтать в Нижнем.

Работы Лосева по свечению карборунда, так же как и ранние работы по генерирующим кристаллам, были уже широко известны в научных кругах, и в план Центральной Радиолаборатории Лосеву включили дальнейшие исследования кристаллов карборунда и других полупроводников.

В первое время после переезда экспериментальную работу Центральной Радиолаборатории Лосеву трудно было развернуть даже путем повторения нижегородских опытов. В частности, для исследования свечения карборунда необходимы были не столько радиотехнические, сколько оптические приборы. Лосеву было разрешено продолжать свои исследования в Ленинградском Физико-техническом институте, в личной лаборатории академика А.Ф. Иоффе.

В этой лаборатории в то время впервые были организованы наиболее подробные исследования физических свойств полупроводников; были осознаны те исключительные перспективы, которые открывают перед наукой и техникой результаты изучения протекающих в них физических процессов.

К работам Лосева по свечению карборунда в Физико-техническом институте отнеслись с живым интересом, и по распоряжению академика А.Ф. Иоффе предоставили ему необходимые приборы.

Свои эксперименты на новом месте Олег Владимирович начал с тщательного воспроизведения старых опытов с обоими видами свечении карборунда. Имея в своем распоряжении спектрометр, он точно измерил длины волн, излучаемых при прохождении тока по карборунду, а также особенности спектра свечения при различных условиях его возбуждения. Ему удалось уточнить наименьшую длину волны, наблюдаемую при свечении I.

Свечение I происходит только при том направлении тока, которому соответствует /+/ карборунд и /-/ контактная проволочка. При обратном направлении тока свечение обычно не наблюдается; тогда падение напряжения Ua происходит только на сопротивлении толщи кристалла и всегда бывает меньше, чем при наличии свечения.

Естественно было предположить, что при отсутствии свечения вся энергия тока, протекающего по кристаллу, идет лишь на преодоление его омического сопротивления, то есть на его нагревание, в то время как при перемене знака и возникновении свечения часть энергии тока превращается в свет. Сопоставляя между собой те разности потенциалов, которые необходимо приложить к кристаллу при каком либо определенном абсолютном значении силы тока, но при противоположных направлениях, то есть, сравнивая между собой соответствующие точки вольтамперных характеристик (рис. 59) при прямом и обратном направлении тока, можно определить в первом приближении, какая часть идет на нагревание, а какая на излучение света.

59.  Графическое определение падения напряжения на светящемся слое по разным ветвям вольтамперной характеристики.

Для этого достаточно обе ветви характеристики вычертить в одном квадранте графика и провести прямую параллельно оси абсцисс (на которой откладывается разность потенциалов) на высоте, соответствующей какому либо определенному значению силы тока, до пересечения с обеими ветвями характеристики. Тогда разность отрезков абсциссы покажет, какая часть приложенного напряжения обусловливает появление свечения.

Лосев весьма тщательно выполнял эти измерения на разных образцах и установил, что эта величина в широких интервалах токов и напряжений остается почти постоянной и приближается к 3,26 вольта и лишь при слабых токах заметно убывает. Это дало ему возможность выдвинуть вопрос об эмпирической зависимости между энергией электронов, получаемой за счет этой разности потенциалов, и спектральным составом излучения. Очевидно, что величина энергии кванта свечения не может быть больше энергии электрона, вызвавшего его появление. Таким образом, коротковолновая граница спектра свечения должна характеризовать энергию электрона. Измерения Лосева показали, что энергия возбуждающего свечение электрона, полученная на основании сравнения ветвей вольтамперной характеристики, и энергия светового кванта коротковолновой границы спектра, определяемая по известной формуле eкв=hnmax=hc/lmax, получались почти одинаковыми. Это дало основание Лосеву высказать гипотезу, что природа излучения связана с торможением электрона в кристаллической решетке. Дальнейшие исследования природы полупроводников, выполненные значительно позже (уже после его смерти), показали, что эта гипотеза слишком примитивна и не отражает природы явления, связанного с рекомбинацией электрона и так называемой «дырки» в кристаллической решетке, однако и в настоящее время мы еще не располагаем строгой исчерпывающей теорией этого так называемого «рекомбинационного свечения», хотя ему посвящено множество тщательных исследований, выполненных в разных странах. То, что во времена Лосева казалось специфическим свойством карборунда, в настоящее время признается одним из основных признаков полупроводников.

Такое совпадение между расчетной величиной и измеренной получалось лишь при малых силах тока, проходящего через кристалл карборунда. При увеличении же силы тока получалось некоторое расхождение.

В предыдущих опытах влияние температуры на свечение Лосев изучал только односторонне - при повышении наружной температуры карборунда. Самая низкая температура, в которой находился карборунд, была комнатной температурой. В физико-техническом институте исследование влияния температуры оказалось возможным выполнить значительно шире, начиная с температуры жидкого воздуха (-1800С). Лосев изучил все изменения свечения II, начиная от этой температуры до высоких температур (ориентировочно до 400-6000, до красного каления).

Уже давно им было обнаружено непосредственное влияние температуры на изменение цвета свечения II. Однако, в обычных условиях, при изменении разности потенциалов на зажимах детектора, менялась и температура кристалла. Нагревание карборунда проходящим через него током увеличивалось с повышением напряжения; при этом увеличение силы тока происходило не только вследствие увеличения напряжения, а также вследствие уменьшения сопротивления под действием тепла, выделяемого током (отрицательный температурный коэффициент карборунда). Было совершенно необходимо поддерживать карборунд при одной и той же температуре во время прохождения через контакт электрического тока различной силы. Для этого тепло, выделяемое электрическим током, надо было отводить. Поэтому эксперименты с охлаждением кристалла жидким воздухом представлялись Лосеву особенно важными. Кипящий жидкий воздух, за счет теплоты испарения, автоматически отнимал от кристалла то тепло, которое выделялось в нем током, и устойчиво поддерживал постоянство температуры. Исследования свечения, произведенные при температуре жидкого воздуха, позволили отделить чисто электрическое изменение цвета свечения II от изменения под влиянием нагревания. Влияние температуры, по мнению Лосева, должно было выражаться в прибавлении к энергии, которою обладает электрон, попадающий в светящийся слой кристалла, некоторой дополнительной энергии теплового движения. Наблюдавшееся им увеличение яркости (до красного каления) сопровождалось уменьшением сопротивления и уменьшением градиента напряжения, он приписывал именно дополнительной тепловой энергии электронов.

Изучая цвет свечения при различном значении низких температур и при постоянной силе тока через детектор, Лосев установил, что изменения свечения II с понижением температуры происходят в сторону увеличения интенсивности коротких световых волн; минимальная длина волны, которую в состоянии излучать свечение II, также с понижением температуры передвигается в сторону более коротких световых волн. Одинаковое изменение свечения II, как от нагревания, так и от охлаждения карборунда, оказалось связанным с тем, что при низких температурах основное (превалирующее) значение в свечении приобретает электрическая, а не тепловая энергия.

Олег Владимирович все эти явления объяснял тем, что энергия электрона в конце пути электрона по светящемуся слою карборунда расходуется вследствие процессов торможения и превращается в энергию свечения II. Наблюдения в микроскопе действительно показали, что свечение появляется лишь на определенной глубине; вся толща кристаллов не светится. Эту глубину свечения он назвал «активным слоем».

При температуре жидкого воздуха свечение II в фиолетовой части спектра было весьма ярким. Коэффициент полезного действия от превращения электрической энергии в световую при температуре жидкого воздуха оказался значительно выше, чем при нормальной температуре или при нагревании детектора. Разделение условий, влияющих на изменение свечения, явилось серьезным успехом Лосева, позволившим перейти к более подробному изучению активного слоя кристалла карборунда.

Оказалось, что светящийся слой при свечении II (активный слой) резко ограничен от остальной темной толщи кристалла. Светящийся слой расположен параллельно плоскости естественной грани кристалла. Он играет основную роль в процессе свечения и в процессе детектирования. Наблюдение этого слоя у изломов монокристалликов карборунда в микроскоп с большим увеличением позволило Лосеву, впервые в мире, измерить толщину активного слоя. Толщина слоя для различных кристаллов оказалось различной; он оценивал ее в 4, 5, 7, 10, 11, 12, 15, 20 и даже в 24 микронов.

Необходимо было попытаться подробней изучить строение этого активного слоя и выяснить, чем он отличается от основной массы кристалла. Для исследования свойств Олег Владимирович разработал оригинальный метод сошлифовывания слоя на разной глубине.

С помощью легкого порошка карбида бора, твердость которого еще выше, чем твердость карборунда, Лосев с исключительным терпением сошлифовывал активный слой под очень острым углом к его наружной поверхности, расположенной на грани кристалла. Таким образом, обнажались постепенно все более и более глубокие его слои, а вся толщина активного слоя, развернулась в значительную площадь (см. рис. 60). Эту площадь оказывалось возможным сделать настолько широкой (до миллиметра и более), что острой иглой можно было касаться различных частей активного слоя, расположенных на разной глубине, и изучать их физические свойства.




60.  Сошлифованный кристалл карборунда и исследование отдельных слоев его с помощью острых зондов.

Для этой цели Лосев обычно пользовался в качестве электродов двумя остро отточенными стальными остриями. Толщину слоя он измерял под микроскопом по ширине его среза, полученного при сошлифовывании. Также измерялись и расстояния между остриями. Третий электрод r0 c большой соприкасающейся поверхностью был приложен к неактивной части (к толще) монокристалла. Лосев измерял на различных глубинах сопротивление Rs вдоль активного слоя и поперек его, между электродами Z1 и Z2,, а также сопротивление остатков (после шлифования) активного слоя между электродами r1-r0 и r2-r0 при очень малой плотности тока. При малой силе тока, порядка 1 микроампера (начало вольтамперной характеристики), для кристаллов карборунда оказался справедливым закон Ома, и значения сопротивлений не зависели от направления тока. Результаты измерений приведены в таблице.

Наименьшее сопротивление (наибольшая проводимость) оказалось в верхней части активного слоя по сравнению с другими его частями, расположенными глубже. Это объяснило распространение свечения II от точки контакта кристалла с контактной проволочкой вокруг нее на столь большую поверхность (несколько кв. миллиметров) вдоль активной грани кристалла.

Первые верхние слои кристалла карборунда, вследствие малой величины их сопротивления «служат, - как выражается Лосев, - распределителем тока вдоль всей активной грани». Во многих случаях эта активные слои можно считать находящимися при одинаковых потенциалах (эквипотенциальные поверхности).

Справедливость такой точки зрения подтвердилась при замене контактной проволочки, касающейся одной точки кристалла, электродами с большей площадью соприкосновения – слоем золота, электролитически нанесенного на активную грань монокристалла. Изменение выпрямительных свойств при такой замене точечного электрода на плоскостной было незначительным, и карборунд при симметричных электродах оставался хорошим выпрямителем.

Последние опыты окончательно убедили Лосева в том, что существует глубокая связь между явлениями свечения в кристалле и детектирующими его свойствами. Более того, он заключил, что «выпрямительное действие следует отнести за счет свойств самого светящегося активного слоя». Одностороннюю проводимость он объяснял тем, что различная удельная электропроводность активного слоя, установленная на опыте, получается вследствие различной концентрации свободных электронов проводимости в активном слое, при одинаковой длине их свободного пути между столкновениями.

Если разность потенциалов вызывает движение электрона от верхнего контакта вниз, в сторону увеличения сопротивления, то за время своего пути в направлении возрастающей величины градиента потенциала в активном слое, электроны приобретут значительную энергию. Только при этом направлении движения полученная электронами энергия достаточна, чтобы преодолеть действие отталкивающих сил отрицательного заряда. При обратном направлении тока лишь небольшое число электронов сможет преодолеть сопротивление активного слоя, и сила тока будет значительно слабее.

Этот активный слой Лосева можно рассматривать как запирающий слой, существующий у ряда полупроводниковых выпрямителей, например, у выпрямителей из селена или из закиси меди. Метод зондов позволил Лосеву изучить распределение разности потенциалов (градиент потенциала) внутри активного слоя в зависимости от силы и направления тока. Активный слой сошлифовывался так, чтобы несколькими зондами можно было бы одновременно измерять падение потенциала вдоль и поперек слоя компенсационным методом. Для этого, приложенная к каждому зонду разность потенциалов относительно «основания» подбиралась такой величины, чтобы ток через этот зонд был равен нулю (менее 0,2 мкА). Для кристалла толщиной 395 микрон, при толщине активного слоя 11 микрон, Лосев получил распределение потенциала по глубине слоя при различной силе общего тока в толще кристалла, изображенное на рис. 61.


61.  Проводимость активного слоя и детектирование.

При разных направлениях тока падение потенциала для нижних, наименее проводящих, частей слоя не симметрично, а зависит от направления тока (см. заштрихованные кривые). Падение же потенциала на самой толще кристалла карборунда (вне активного слоя) симметрично. В самом контакте, между главным электродом и верхней частью активного слоя, падение потенциала оказалось незначительным и также симметричным. Эти опыты еще раз подтверждали, что выпрямительное действие не может быть объяснено ни действием самого контакта, ни влиянием основной толщи кристалла, обнаруживавших одинаковое падение напряжения при противоположном направлении тока. Происхождение односторонней проводимости и выпрямления контактом карборунда можно было объяснить лишь особыми свойствами активного светящегося слоя - различными концентрацией и энергией электронов проводимости в нем.

Длительные (в течение 7 лет) планомерные работы Лосева но исследованию свечения карборундового детектора успешно приходили к концу. Открытие светящегося активного слоя, измерение его толщины, установление его строения и связи между оптическими характеристиками свечения и электрическими свойствами слоя и пр. дали возможность сравнивать результаты его исканий с другими исследованиями запорных слоев у полупроводников.

Запирающие слои в твердых выпрямителях и в полупроводниковых вентильных фотоэлементах, обнаруженные в начале тридцатых годов, оказались наделенными свойствами, весьма близкими к свойствам активного светящегося слоя детектора карборунда.

Исследования Лосева, установившие связь свечения у детекторов с их способностью детектировать и генерировать колебания, подтверждали и дополняли другие работы по изучение физических свойств полупроводников.

Живой интерес к работам Лосева проявил академик А.Ф. Иоффе. Он высоко ценил его пытливые искания и искусство экспериментировать. Работа в Физико-техническом, а затем в Рентгеновском институтах оказалась весьма полезной для расширения кругозора Лосева; он часто участвовал в многочисленных научных конференциях и семинарах, посвященных полупроводникам. Свои работы по светящемуся детектору он докладывал на Всесоюзных конференциях, где они вызывали неизменный интерес. За научную работу по полупроводникам он был премирован в 1931 году Комиссией Наркомпроса по присуждению премий за лучшие научные работы по физике.

Сравнивая свои результаты с другими работами по полупроводникам, Олег Владимирович понял некоторую односторонность их: ведь он изучал лишь возникновение свечения под действием тока и не рассматривал обратного эффекта - появления электрического тока при освещении детектора. Еще в 1924 году, изучая влияние облучения на свечение карборунда, он обратил внимание на изменение тока при освещении кристалла карборунда. Тогда, в Нижнем Новгороде, он не придал значения этому наблюдению. Возможность получения в активном слое эффекта, обратного эффекту его свечения, - эффекта фотоэлектрического - имела большое принципиальное значение для понимания физических свойств полупроводниковых кристаллов. Превращение световой энергии в электрическую на поверхности металлов (внешний фотоэффект, открытый Столетовым) изучалось физиками уже давно. Фотоэффект в полупроводниках они только еще начинали подробно исследовать.

Лосев не раз пробовал интенсивно осветить активный слой кристалла карборунда и еще в 1929 году установил, что в активном слое при этом действительно возникает небольшая фотоэлектродвижущая сила, создающая во внешней цепи «ток в направлении обратном направлению тока большой проводимости». Позднее он установил, что при действии света сверх того увеличивается проводимость кристаллов карборунда и обнаружил в них таким образом явление так называемой фотопроводимости. Он снял характеристики, выражающие фотоэлектродвижущую силу и силу фототока, в зависимости от различных значений приложенной к кристаллу карборунда малых разностей потенциалов при освещении и в темноте. На рис. 62 изображены вольтамперные характеристика без освещения и характеристика при освещении. По графику легко было установить величину фотоэлектродвижущей силы, равную 0,017 вольт.


62.  Характеристика протекания тока при освещении и в темноте.

Эти исследования относятся к тем годам, когда полупроводниковые фотосопротивления и так называемые вентильные фотоэлементы из селена и соединений меди и талия были настолько изучены, что началось их широкое техническое применение и массовое производство, хотя сущность физических явлений, лежащих в основе их действия, продолжала оставаться неясной - прошло почти 20 лет, прежде чем она нашла строгое теоретическое обоснование.

Лосев доказал, что наблюдаемые им явления действительно имеют фотоэлектрическую, а не термоэлектрическую природу. Для этого он смерил величину термоэлектродвижущей силы и ее направление. Оказалось, что она имеет направление, противоположное фотоэлектродвижущей силе.

Далее, методом прерывистого освещения большой частоты (2.000 миганий в секунду) он доказал отсутствие у последней инерционности, свойственной тепловым явлениям. Фототок такой частоты подавался через усилитель на телефон, и его легко можно было прослушать; термоток не мог следовать за столь большой частотой прерывания и не давал звука в телефоне.

Сошлифовав верхнюю часть активного слоя до толщины 1-3 мкм, то есть до значения предполагаемой длины свободного пробега электронов в нем, Лосев установил, что от этого «картина действия света весьма меняется». При этом была обнаружена значительно большая фотоэлектродвижущая сила, достигавшая уже 3,4 вольта. Оказалось, что увеличение силы тока при освещении наблюдается только при положительном потенциале острийного электрода, который касается остатков сошлифованного активного слоя. Это обстоятельство позволило Лосеву заключить, «что источники фотоэлектронов внутри активного слоя не расположены равномерно по всему слою, а находятся на границе активного слоя и толщи кристалла».

Такой вывод вполне согласовался с высказанным им ранее предположением «о малой концентрации свободных электронов в активном слое и большой концентрации их в остальной толще кристалла».

Следовательно, пограничный с активным слоем слой толщи кристалла и является источником фотоэлектронов.

Пропорциональность между освещенностью и фототоком наблюдалась лишь до определенных значений ее, после чего обнаруживалось насыщение. Изменение материала острийных электродов и их толщины практически не меняло силы фототока.

Если же активный слой сошлифовывался полностью, то фотоэлектродвижущую силу наблюдать уже не удавалось. Контрольными опытами, доказывавшими отсутствие активного слоя на кристалле, являлись измерения резко возрастающей проводимости его, а также прекращение свечения II. Олегу Владимировичу удалось обнаружить тем же методом косого сошлифовывания фотоэлектрический эффект и наличие активного слоя у ряда других кристаллов. Было установлено наличие активного слоя у кристаллов свинцового блеска, у шпинеля с примесями алюминия, а также у соединений меди и железа.

В дальнейшем Лосевым был разработан упрощенный метод испытания фоточувствительности полупроводников. Он установил, что различные грани одного монокристалла или различные кристаллы обнаруживали не одинаковую фоточувствительность. Он постарался «найти такой метод испытаний, где участвовало бы при каждом испытании более или менее значительное количество вещества», чтобы тем самым получить возможность определять некоторую среднюю фоточувствительность изучаемого им сорта полупроводников. Лосев установил, что целесообразно приготовлять из полупроводника тонкий порошок, который, будучи в сухом состоянии помещен между двумя электродами, «не дает заметной проводимости и не обладает фотоэффектом». Если же этот порошок смочить жидкостью, обладающей весьма малой электролитической проводимостью, и измерить появившийся при этом между электродами слабый электрический ток фотопроводимости, то порошок обнаруживает значительную фоточувствительность. Из слабо проводящих жидкостей, хорошо смачивающих полупроводники, положительные результаты дали амилацетат, метанол и пиридин. Пиридин оказался наиболее удобным вследствие медленного испарения и малой удельной проводимости.

Измерение фоточувствительности различных полупроводников, приготовленных в виде таких своеобразных фотосопротивлений, Лосев обычно производил при переменном освещении. На пути между лампочкой накаливания он устанавливал вращающийся диск с рядом отверстий. Частота импульсов света, попадавших на «фотосопротивление», изменялась при изменении числа оборотов диска; в опытах Лосева она чаще всего равнялась 250 периодов в минуту. К фотосопротивлению Лосев подводил от батареи постоянное напряжение около 20 вольт, а возникавшую в фотосопротивлении под действием света переменную фотоэлектродвижущую силу подавал на четырехкаскадный широкополосный усилитель звуковой частоты. Разделительный конденсатор, включенный в цепь первой лампы, емкостью 0,1 мкФ, не пропускал в усилитель постоянной слагающей тока батареи. Гальванометр G, включенный на выходе усилителя, после детектирования показывал среднее значение фототока, появляющегося под действием прерывистого света в исследуемом полупроводнике (рис. 63). Фоточувствительность полупроводника (порог ее) оценивалась по той минимальной освещенности, при которой гальванометр отклонялся хотя бы на одно деление.


63.  Схема исследования фотопроводимости в порошковых фотосопротивлениях.

Таким методом Олег Владимирович исследовал более сорока различных полупроводников, фоточувствительность которых до той поры не была известна. Более того, ему удалось установить заметную светочувствительность у некоторых таких полупроводников, о которых ряд авторов утверждал, что они вообще не обладают фоточувствительностью, например, у кремния. +)

У вентильных фотоэлементов, изготовлявшихся в то время (начало тридцатых годов) из закисей меди, селена и соединений талия, как и у полупроводниковых фотосопротивлений, всегда наблюдалась заметная инерционность; изменение фототока следовало с некоторым опозданием за изменением их освещенности. Инерционность вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений иногда ограничивала возможность их применений, в частности в звуковом кино и в быстродействующих схемах автоматики. Вследствие инерционности чувствительность вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений к переменной освещенности уменьшается с увеличением частоты прерывания света (Рис.64)

64.  Зависимость чувствительности порошковых фотосопротивлений от частоты освещения.

+)Примечание. Полезно отметить, что именно кремний этими своими свойствами уже после смерти Лосева, спустя много лет после его работы, вновь привлек к себе внимание и сделался предметом большого числа исследований.

Олег Владимирович собрал специальную установку для изучения инерционности своих порошковых фотосопротивлений. Частоту прерывистого света он мог регулировать от 0 до 8.000 прерываний в секунду с помощью перфорированного диска. Он взял усилитель, который одинаково усиливал фотоэлектрические сигналы, имевшие от 10 до 8.000 периодов в секунду, то есть обладал очень хорошей частотной характеристикой (рис.63). Он изобразил график зависимости фототока, развившегося в его фотосопротивлениях, от частоты прерываний света при неизменной их освещенности. Форма полученной кривой позволила Лосеву предположить о чисто емкостной природе инерционности. Это позволило Лосеву построить принципиальную эквивалентную схему вентильного фотоэлемента, изготовленного из монокристалла, обладавшего на своей грани активным слоем. Она изображена на чертеже (Рис.65), где Ph - источник фотоэлектродвижущей силы, R0 - внутреннее сопротивление фотоэлемента, C0 - собственная емкость, шунтирующая фотоэлемент. При таком представлении электрическое напряжение на зажимах фотоэлемента можно выразить формулой

где Uw - фотоэлектродвижущая сила при угловой частоте w=2pf, соответствующей f прерываниям света в секунду. U0 - фотоэлектродвижущая сила, о которой можно судить по разности потенциалов на обкладках незамкнутого вентильного фотоэлемента при постоянном освещении.


65.  Эквивалентная схема вентильного фотоэлемента.

Внутренние сопротивление фотоэлемента R0 он мог непосредственно измерить по вольтамперной характеристике, а по результатам исследования инерционности вычислить собственную емкость вентильного фотоэлемента C0. Для вентильных фотоэлементов и монокристаллов, обладающих активными слоями, получилось хорошее совпадение экспериментальных частотных характеристик с вычисленными по этой формуле или полученными другими методами.

Олегом Владимировичем были сняты частотные характеристики с ряда монокристаллов и установлена зависимость фотоэффектов от частоты; оказалось, что для некоторых кристаллов наблюдается заметное уменьшение фотоэлектродвижущей силы с увеличением частоты (купроксилико алюминий), для других же была установлена в широкой области частот полная независимость ее от частоты (свинцовый блеск) (рис. 66). Независимость фотоэлектродвижущей силы от частоты у свинцового блеска Олег Владимирович проверил на десяти образцах кристалла, взятых из различных месторождений. Это позволило ему предложить воспользоваться кристаллами свинцового блеска «для измерительных целей, для снятия частотных характеристик с различных радиотехнических устройств».

66.  Зависимость фотоэффекта от частоты в различных кристаллах.

Особенно интересными были для него результаты исследования инерционности у монокристаллов карборунда, так как для них имелись точные данные о толщине активного слоя и о распределении удельной проводимости по этой толщине.

Лосев подробно исследовал два монокристалла, причем у одного из них он сохранил активный слой толщиной 11 микрон, а у второго сошлифовывал до 1 микрона. Частотные характеристики обоих кристаллов резко отличались друг от друга. На рис. 67 представлена величина фотоэлектродвижущей силы, которую они давали в зависимости от частоты света. Кривые a соответствуют холостому ходу (фотоэлемент разомкнут), b - изменению масштаба ординаты в отношении (R0/R+1) и кривые c соответствуют нагрузке фотоэлемента внешним сопротивлением. «Исключительно большую инерционность показывает частично сошлифованный кристалл карборунда»; это Лосев объясняет тем, что собственное сопротивление кристалла в этом случае оказывается значительно больше, а собственная емкость активного слоя практически не изменяется.

67.  Зависимость фотоэлектродвижущей силы двух кристаллов карборунда от частоты освещения:

а) с сохраненным активным слоем,

б) с частично сошлифованным активным слоем.

Удельная проводимость активного слоя по его толщине распределяется неравномерно; схематическая диаграмма показывает (Рис.68) две области, в которых «происходит особенно резкое изменение удельной проводимости». Нижняя область при самых глубоких сошлифованиях указывает на большую емкость, приходящуюся на единицу поперечного сечения активного слоя кристалла. Оказалось, что при уменьшении сопротивления сошлифованного слоя, путем параллельного включения к нему (шунтирования) омического сопротивления такой же величины, как собственное сопротивление несошлифованного кристалла, инерционность уменьшается до значения инерционности несошлифованного слоя.



68.  Две области резкого изменения удельной проводимости.

Последний опыт дополнительно свидетельствовал о чисто емкостной природе инерционности у фотосопротивлений с жидкостью. У этих фотосопротивлений, под влиянием освещения, изменяется величина их общего сопротивления, что при последовательно включенном добавочном сопротивлении уменьшало падение напряжения на них.

У Лосева возник вопрос, всегда ли при освещении меняется только омическое сопротивление проводника. Он, с помощью специальных экспериментов, установил существование нового физического явления - изменения емкости в кристаллических сопротивлениях при их освещении. Оказалось, что у некоторых сопротивлений, изготовленных из полупроводниковых кристаллов, измельченных в порошок и смоченных жидкостью с весьма малой электролитической проводимостью (органической), при освещении совсем не наблюдалось заметного изменения омического сопротивления. Однако, при освещении их прерывистым светом, измерения их общего комплексного сопротивления показывали, что оно значительно изменяется, в некоторых случаях на 20%. При постоянном освещении заметного изменения сопротивления обнаружить не удавалось. Это убедительно свидетельствовало, что такие фотосопротивления изменяют при освещении не свое омическое сопротивление, а только свою емкость.

Наблюдавшийся новый эффект «не имеет ничего общего с той собственной емкостью активных слоев, существованию которой мы приписываем происхождение инерционности», - пишет Лосев. Этот емкостный фотоэффект, при воздействии переменного освещения, проявлялся только в присутствии плохопроводящего органического электролита, хота от его химического состава и не зависел. Лосев пишет, что «можно предполагать, что при существовании емкостного эффекта происходят весьма сложные процессы на границе частиц полупроводника с электролитом». В конечном счете, все эти процессы приводят к изменению емкости между электродами порошкового фотосопротивления.

Лосев справедливо полагал, что наиболее интенсивный емкостный эффект появится при условиях, когда в большей мере должна проявиться электростатическая сторона явления, когда накапливаемые на внутренних микроскопических конденсаторах в порошке заряды возрастут. Для этой цели он увеличивал напряжение, приложенное к фотосопротивлениям, и всякий раз убеждался, что емкостный фотоэффект проявлялся сильнее.

Олег Владимирович исследовал различные жидкие и твердые электролиты. Для выяснения возможности практического применения нового емкостного фотоэффекта Олег Владимирович изучал различные кристаллы и различные жидкости. Из последних оказалось наиболее пригодным жидкое стекло, и изготовленные на его основе фотосопротивления обладали хорошей чувствительностью, пригодной для практики.

На основании результатов этой работы Лосеву были присуждены два авторских свидетельства на изобретение «способа изготовления фотосопротивлений» от 30 сентября 1933 года и от 30 ноября 1934г. Так, шаг за шагом, Лосев чисто эмпирически вплотную подходил к пониманию электрических процессов, протекающих в кристаллах из полупроводников, подготовляя экспериментальный материал для их будущего полного теоретического объяснения.

Оглавление базы знаний о О. В. Лосеве