Курсовая работа: История иследования полупроводников
5. История развития полупроводников
После изобретения в 1904 г. Дж. Флемингом
двухэлектродной лампы-диода и Л. Де Форестом в 1906 г.
трехэлектродной лампы-триода в радиотехнике произошла революция. Эти
изобретения позволили усиливать не только телеграфные сигналы, но и перейти к
радиотелефонии – передаче по радио человеческого голоса. Помимо этого, они
позволили усиливать высокочастотные колебания.
Началось бурное развитие радиотехники. Но одновременно с ним
выявились недостатки применения вакуумных электронных приборов. Электронная
лампа имеет небольшой срок службы. Приняв средний срок службы лампы за 500
часов, при количестве ламп в одном устройстве 2000 штук в среднем каждые 15
минут следовало бы ожидать отказа по крайней мере 1 лампы. Для обнаружения
неисправности следовало проверить как минимум несколько сотен ламп. Самой
уязвимой частью ламп является нить накала. При включении и выключении прибора
нить поочередно раскаляется и охлаждается, что повышает вероятность ее
перегорания. Для разогрева лампы требуется мощность в сотые доли ватта.
Помноженная на количество ламп потребная мощность достигает нескольких сотен, а
иногда тысяч ватт.
Недостатки электронных ламп особенно остро выявились в конце 40-х–начале 50-х
гг. прошлого века с появлением первых электронно-вычислительных машин. Их
надежность и размеры определялись именно размерами, энергетической емкостью и
надежностью используемых в них вакуумных ламп.
Выход из кризиса открыли полупроводниковые приборы, которые,
несмотря на свои недостатки, имели явные преимущества по сравнению с лампами:
небольшие размеры, мгновенная готовность к работе ввиду отсутствия нити накала,
отсутствие хрупких стеклянных баллонов. Эти необходимые в то время свойства
побудили к поиску способов устранения недостатков полупроводников.
Исследования проводимости различных материалов начались
непосредственно в XIX в. сразу после открытия гальванического тока.
Первоначально их делили на две группы: проводники электрического
тока и диэлектрики, или изоляторы. К первым относятся металлы, газы и растворы
солей. Их способность проводить ток объясняется тем, что их электроны
сравнительно легко отрываются от атома. Особый интерес представляли те из них,
которые обладали низким электрическим сопротивлением и могли применяться для
передачи тока (медь, алюминий, серебро).
К изоляторам относятся такие вещества, как фарфор, керамика,
стекло, резина. Их электроны прочно связаны с атомами.
Позже были открыты материалы, чьи свойства не подходили полностью
ни под одну из вышеназванных категорий.
Эти вещества получили название полупроводников, хотя они вполне
заслуживали и названия «полуизоляторы». Они проводят ток несколько лучше, чем
изоляторы, и значительно хуже проводников.
К полупроводникам относится большая группа веществ, среди которых
графит, кремний, бор, цезий, рубидий, галлий, кадмий и различные химические
соединения – окислы и сульфиды, большинство минералов и некоторые сплавы
металлов. Особенно велико значение германия, а также кремния, благодаря которым
произошла поистине техническая революция в электротехнике.
Изучение свойств полупроводников начались, когда возникла потребность в новых
источниках электричества. Это заставило исследователей обратиться к изучению
явлений, связанных с образованием так называемой контактной разности
потенциалов. Было замечено, в частности, что многие материалы, не являющиеся
проводниками тока, электризуются при соприкосновении между собой. Первые опыты
в этом направлении проводились в XIX в. Г. Дэви и A.G. Беккерелем.
Еще одно направление в исследовании полупроводников появилось в
процессе изучения проводимости таких веществ, как минералы, соединения металлов
с серой и кислородом, кристаллы, различные диэлектрики и т.п. В этих работах
исследовалась величина проводимости и влияние на нее температуры. Исследование
в середине XIX в. ряда колчеданов и окислов показало, что с увеличением
температуры их проводимость быстро возрастает. Многие кристаллы (горный
хрусталь, каменная соль, железный блеск) проявляли анизотропию (неодинаковость
свойств внутри тела) по отношению к электропроводности. В 1907 г. Пирс
открыл униполярную (одностороннюю) проводимость в кристаллах карборунда: их
проводимость в одном направлении оказалась примерно в 4000 раз большей, чем в
противоположном.
В ходе этих исследований было также установлено, что существенное
влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. В
1907–1909 гг. Бедекер заметил, что проводимость йодистой меди и йодистого
калия существенно возрастает, примерно в 24 раза, при наличии примеси йода, не
являющегося проводником.
Во II половине XIX в. были открыты еще 2 явления, связанные с
полупроводниками – фотопроводимость и фотоэффект.
Было обнаружено, что световые лучи влияют на проводимость
отдельных веществ, среди которых особое место занимал селен. Влияние света на
проводимость селена впервые открыл в 1873 г. Мэй, о чем сообщил В. Смиту,
которому иногда приписывают честь этого открытия.
Необычные свойства селена использовались в ряде приборов. Так, В. Сименс
соорудил физическую модель глаза с подвижными веками и с селеновым приемником
на месте сетчатой оболочки. Его веки закрывались, когда к нему подносили свечу.
Тот же Сименс, используя свойства селена, построил другой оригинальный
физический прибор – фотометр с селеновым приемником. Корн пытался построить
телефонограф, служащий для передачи изображений на расстояние.
К другому сходному явлению, связанному с действием света на
материалы, можно отнести фотоэффект. Впервые это явление открыл в I половине
XIX в. А.С. Беккерель. Сущность его наблюдений сводилась к тому, что
два одинаковых электрода, помещенные в одном электролите при одинаковых
условиях, обнаруживали разность потенциалов, когда на один из них направляли
поток света.
В 1887 г. Герц заметил подобное же явление в газовой среде.
Он установил, что ультрафиолетовый свет, испускаемый одной искрой, облегчает
прохождение разряда в соседнем искровом промежутке, если при этом освещается
отрицательный электрод. Наблюдение Герца, изученное затем А.Г. Столетовым,
привело к открытию фотоэлектрического эффекта, заключающегося в испускании
телами отрицательного электричества под влиянием света.
В радиотехнике вначале нашли применение некоторые окислы, в
частности кристаллы цинкита и халькопирита. Было обнаружено, что они обладают
свойством выпрямлять электрический ток. Это позволило применять их для
детектирования радиосигналов – отделения тока звуковой частоты от несущих
сигналов. В первых любительских радиоприемниках начала XX в. для
детектирования использовались настоящие полупроводники. Но обращение с ними
требовало больших усилий. Для приема сигналов требовалось попасть тонкой иглой
в определенную точку на кристалле. Это было целое искусство и те, кто им
владел, ценились на вес золота. Замена кристаллов лампами значительно упростила
работу радистов.
Низкая надежность работы радиоустройств с большим количеством
вакуумных электронных ламп в начале 20-х годов XX в. заставила вспомнить,
что кристаллический детектор, подобный углесталистому детектору А.С. Попова,
обладает не менее широкими возможностями, чем электронная лампа. В 1922 г.
сотрудник Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев обнаружил возможность
получения незатухающих колебаний с помощью полупроводникового кристаллического
диода. Свой прибор Лосев назвал кристодином. На его основе ученый создал
различные полупроводниковые усилители для радиоприемников.
Многие предрекали, что кристаллы со временем займут место
вакуумных ламп. Но в 1920–1930-е гг. этого не произошло. Лампы удовлетворяли
тогдашние запросы, постепенно раскрывались их новые достоинства и возможности.
А полупроводниковые кристаллы в то время лишь начали изучать,
технологи не имели возможности производить чистые, лишенные примесей кристаллы.
Многие годы физики исследовали процессы, протекающие в полупроводниках на
уровне микроструктуры, и на основе этих исследований пытались объяснять их
свойства. Оказалось, что так же, как и в изоляторах, в полупроводниках все
электроны прочно связаны с атомами. Но эта связь непрочна, и при нагреве или
под действием света некоторым электронам удается вырваться из притяжения
атомов. С появлением свободных электронов электрическая проводимость полупроводников
резко возрастает.
В отличие от проводников, носителями тока в полупроводниках могут
быть не только электроны, но и «дырки» – места на орбите положительно
заряженных частиц – ионов, образовавшихся после потери электрона. Положительный
заряд этих частиц стремится захватить недостающий электрон у одного из соседних
атомов. Таким образом, «дырка» путешествует по полупроводнику, переходя от
атома к атому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный по
значению отрицательному заряду электрона.
Один и тот же полупроводник может обладать либо электронной, либо
дырочной проводимостью. Все зависит от химического состава введенных в него
примесей. Так, небольшая добавка в германий примесей, богатых электронами,
например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной
проводимостью, так называемый полупроводник n-типа (от лат. negativus – отрицательный).
Добавка же алюминия, галлия или индия приводит к избытку «дырок» и образованию
дырочной проводимости. Такие проводники называются проводниками р-типа (от лат.
positivus – положительный).
Развитие полупроводников в 20–30-е гг. прошлого века позволило
создать полупроводниковые приборы, термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические
и фотоэлектрические приборы.
В 1929 г. советский ученый А.Ф. Иоффе высказал мысль о
возможности получения с помощью термоэлектрического генератора из
полупроводников электроэнергии с КПД в 2,5–4%. Уже в 1940–194.1 гг. в Советском
Союзе были получены полупроводниковые термоэлементы с КПД в 3%.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 |