Курсовая работа: История иследования полупроводников
8. Применение полупроводников
Надежно работающие плоскостные полупроводниковые диоды и триоды
были созданы только после изучения свойств полупроводниковых кристаллов и
овладения технологией изготовления сверхчистых материалов.
Преимуществом плоскостных контактов по сравнению с точечными
является их способность пропускать более сильный ток. Но при этом они имеют
значительно большую паразитную емкость, вред которой возрастает с повышением
частоты сигналов.
Поэтому плоскостные диоды и триоды применяются для обработки и
усиления низкочастотных сигналов, а точечные, называемые также кристаллическими
детекторами, для детектирования слабых сигналов высоких и сверхвысоких частот.
Область применения полупроводников не ограничивалась
радиотехникой. Еще в 1932 г. А.Ф. Иоффе создал из закиси меди, а
затем из селена фотоэлементы, вырабатывавшие при их освещении электрический ток
без помощи внешних источников энергии. Однако их КПД при использовании
солнечной энергии не превышал 0,05–0,1%. Но уже перед Великой Отечественной
войной в СССР были созданы фотоэлементы из сернистого таллия и сернистого
серебра с КПД до 1%.
В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же году
впервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числа
кремниевых фотоэлементов. В начале 1955 г. были созданы фотоэлементы с КПД
до 6%. Современные фотоэлементы имеют КПД до 20% и выше.
Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получают
атомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжении
многих лет.
На основе полупроводников были созданы фотодиоды. В сочетании с
электрическими счетчиками они ведут учет движущихся объектов – от производимых
деталей до пассажиров в метро. Приборы, созданные с применением фотодиодов,
могут определять бракованные изделия на конвейере и выключать оборудование,
если в его опасную зону попадают руки рабочих.
Создание приборов на основе полупроводников произвело в середине
XX в. техническую революцию. Дальнейшее их развитие привело к созданию
интегральных микросхем, появлению новых поколений электронно-вычислительных
машин и персональных компьютеров. Сейчас ни одна область науки и техники не
обходится без их применения.
9. Физика полупроводников и нанотехнологии
Уважаемые
коллеги! В последнее время у нас в стране и во всем мире очень большое внимание
уделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии и даже,
как говорят, нанонауки. Я думаю, что все работы, которые ведутся в области
наноструктур, а также развитие этих исследований связаны, прежде всего, с тем,
что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого ряда
совершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собой
очень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводников
этот процесс, возможно, начался даже раньше, чем в других областях.
Можно
сказать, что развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевых
интегральных схем с физической точки зрения, – это, по сути, то же, что было
сделано в конце 40-х – начале 50-х гг.: поскольку основой является полевой и
биполярный транзистор, и все главные физические явления – это те, что были
изучены и исследованы уже тогда. Вместе с тем, произошли гигантские,
драматические изменения, и связаны они с уменьшением размеров, а также с
выполняющимся до сих пор законом Мура. Тем не менее, технология и техника
литографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральных
схем, исчисляемому 45–60 нанометрами. Поэтому уже много лет говорится о том,
что наступят принципиальные изменения, когда дальнейшее уменьшение
топологического размера станет невозможным.
Но
на самом деле процесс по-прежнему идет. Но я хотел бы остановиться на другом
чрезвычайно важном направлении в развитии современной полупроводниковой
электроники и физики. Это направление, связанное с использованием
полупроводниковых гетероструктур, которые, кстати сказать, сегодня очень
активно используются и в решении проблем кремниевых интегральных схем
ультрамалых размеров, особенно что касается решения принципиальной проблемы
мест соединений. В области физики полупроводниковых гетероструктур
нанотехнология и основные физические явления, связанные с появлением малых
размеров, а также принципиально новых свойств, были открыты более трех десятков
лет назад.
Один
из наших коллег, замечательный японский физик Лио Исаки внес в развитие этой
области физики огромный конкретный вклад. Стоит заметить, что так называемые
полупроводниковые сверхрешетки впервые были предложены в 62 г. (первая
публикация в этой области принадлежит Л.В. Келдышу: к сожалению, он
представил практически неэффективный способ получения сверхрешеток путем
приложения сильных ультразвуковых полей к поверхности кристаллов). В 70 г. Лио
Исаки создавал первые полупроводниковые решетки, используя уже
полупроводниковые гетероструктуры. Японский ученый дал, с моей точки зрения,
блестящее определение, которое, я думаю, чрезвычайно четко отражает сущность
использования нанотехнологии, наноструктур в целом: он сказал о
полупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от
«God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие от
кристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые в
лаборатории, – это, в конечном счете, и германий, и кремний, и
полупроводниковые соединения А3Б5, А2Б6, и многие другие. Это кристаллы,
сделанные Богом, потому что независимо от того, получены ли они в лаборатории,
получены ли они в природе, – их свойства определены.
Что
касается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малых
размерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняете
массу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаете
материалы, которых в природе не существует, которые Бог – по тем или иным
причинам – не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах вы
принципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря,
реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были получены
первые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашей
лаборатории – и это направление стало бурно развиваться.
Но
потом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах при
исследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым с
длиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерные
явления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. И
стало возможным существование тех кристаллов, которые получили название
«квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия – «квантовые
точки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включая
квантовые точки нуль-размерных электронных систем.
Я
хотел бы подчеркнуть, что практически все достижения физики полупроводников,
которые имеют отношение к развитию наноструктур ультрамалых размеров, связаны,
прежде всего, с развитием технологии. Я думаю, что это чрезвычайно важно для
всего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий,
информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитие
физических исследований стало возможным по-настоящему только после того, как
технология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла на
совершенно другой уровень.
Поскольку
я вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведение
систематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х – начале
30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам,
«полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Я
помню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделать
полупроводниковое устройство для первой советской атомной лодки, говорил:
«Жорес, а они работать-то будут?» Ведь считалось, что это полупроводниковая
«кухня» и один образец может сильно отличаться от другого.
Ситуация
кардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой и
кремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивали
исследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практически
все, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитием
технологии.
Если
говорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, прежде
всего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковых
структур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалось
достичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктуры
с размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология так
называемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур из
растворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается очень
просто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, в
котором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе,
и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры с
такими размерами слоев.
Но
конечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во-первых, метода
молекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирским
институтом физики полупроводников. И этот институт по сей день является одним
из мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а также
технологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов,
систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодов
сегодня, в том числе и для освещения, определяются уже размерами продаж,
приближающимися к 10 млрд долларов). Мощная ветвь полупроводниковой индустрии,
которая будет расти все дальше и дальше и сыграет, по оценкам экспертов, к 2030 г.
важную роль в смене примерно 50% освещения на лампах на светодиодах, на
наноструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергии
в мире. Основа этого – солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано,
что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составит
около 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанций
России на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять же
технология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриального
производства очень многих материалов.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 |