Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Максвеллом теория электромагцитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок. Только лишь в 1906 году 1 . Пирс доказал электрическую природу выпрямленна тока. Пока лучшие теоретики искали шгацки, инженеры все шире применяли полупроводники. В начале нашего века ученых захватили исследования в области беспроводной связи. Они создавали приемники радиоволн, которые могли детектировать сигналы. В первых конст- рукциях радиоприемников использовшпюь контакты полупроводникового материала и ме- талла, например, карбид кремния, теллур, окись цинка, селен совместно с металлической пружиной.
Кристаллические полупроводниковые детекторы излучении позволяли выпрям- лять радиочастотные сигналы, но усиливать их не моши. 1!аш соотечественник, выдающийся радиоинженер Олег Владимирович Лосев, изучая я 1922 году свойства кристаллического детектора, обнаружил на вольтамперной харакге- рисзике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротиш7енисм, и на основе этого кристалла получил генерирующий детектор. Советский радиоинженер впервые в мире построил полупроводниковый прибор, способный усиливать н генерировать элек- тромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие —— полупроводник 1кристалл цинкита7.
Этот прибор вошел в историю полупрояодииковой электроники как "кристадин" Лосева. Позднее, в 1927 году, Лосев открыл также явление свечения крглстазла карборунда при прохождении тока через точечный контакт. По суще- ству это был первый светодиод. Открытия Лосева вызвали большой, но кратковременный интерес. Четкого объяснения открытых явлений дано не было, и в то же время воспроиз- воднмость опытов оставляла желать лучшего.
Промышленное внедрение так и не состоя- лось. Тем более что те далекие 30 — 40-е годы прошлого века оьши порой расцвета элек- тровакуумных ламп. И77еи электронной лампы попытались воплотить в твердотельный аналог. В 1925 году профессор фишки Юлиус Лилиенфельд получил несколько патентов на конструкцию Усг7литсдя С ИСПОлЬЗОВаНиеМ СУльфида меди. Спустя лесять лет в Англии был выдан па- тент немецкому изобретателю Оскару Хейлю на полевой триод. В нем предлагалось ис- пользовать управляющий электрод для регулирования тока через слой полупроводника.
В 19 1926 году советский физик яков Ильич Френкель ввел понятие о дырках в кристаллах, о дех дефектах кристаллической решетки, представляющих собой дырку в междоузлии — так наты, анлваеь7ме деггзекягы по Фргикглго. В давьнейшел~ теоршо дырок развил английский фи- зик П Поль Адриен Морис дирак н немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг в середг1не тридцатых годов. В 1932 верхи 932 готу советский физик Игорь Евгеньевич Тамм предсказал существование иа порхиости кристаллов особых состояний электронов — гроаяей Тиомгь В 1938 38 году немецкий7 физик робер~ Вихард Поль разработал конструкцию кристалличе- ского Уп а о Усилителя, действие которого основано на использовании проволочной сетки для равления потоком эчсктронов через нагретый кристалл бромида калия.
Прибор позво- Часть ?!. Микроэлектроника 1ВВ лял усиливазь сигналы и доказывал возможность созлания кристаллических полупровод. пиковых приборов Ненадежные в те в!эемена позупроводни~ ов тронными вакуумными лампами. Известно, что хорошая теория быстро продвигает техни. ческие идеи на уровень внедрения. А в полупроводниковой электронике четыре загадки так и остались неразгаданными с прошлого века: Почему сопротивление полупроводников падает с ростом температуры? 2. Почему сопротивление полупроводников уменьшается при их освещении? 3.
Почему сопротивление контакта двух полупроводников зависит от полярности прикпадываемого напряжения'? 4. Почему в полупроводнике с током, помещенном в магнитное поле, мо~ут существовать отрицательно и положительно заряженные носители заряда? На все эти и другие "почему" никто не мог дать ответ почти 100 лет, 1.1.1.
Одна отгадка на асе разгадки К началу 30-х годов проводились интенсивные исследования полупроводниковых стрултур, предпринимались энергичные поиски природных и синтезированных полупроводников, инте рметаъчических соединений. В !928 — 1930 годах американский физик Феликс Блох и французский физик Леон Бриллюэн заложили основы зонной теории твердых тел. И вот в !93! году английский физик Алан Харрис Вильсон построил квантовую теорию полупроводников, привлекая математический аппарат квантовой механики. В соответствии с этой теорией в твердом теле энергетические состояния электронов образуют так называемые зоны, разделенные промежутками запрегденных значений энергий. Верхняя зонш а которой находятся свободно перемещающиеся заряды, получила название толы лросодзьчости, а нижняя, в которой заряды находятся в связанном состоянии, была названа валентиой золой.
Промеяуточное расстояние называли залреи?ганой зоной. Исходя из представлений о зонной структуре элелтронного спектра, Вильсон провел деление кристаллов на металлы, полупроводники и диэлектрики. Если ширина запрещенной зоны велика, то в твердом теле с такой энергетической характеристикой элеьтропроводносгь отсутствовала. Такие вещества называются диэлектриками. Если же ц1ирииа запрещенной зоны невелика, то существуют различные возможности возбуждения электронов.
Эго лся лроеодликл. Например, при разогреве твердого тела происходит тепловое возбуждение элек тРонов, повышается их энергия, и они из валентной энергетической зоны перехолят в более высокоэнергетическую зону проводимости. При этом вещество с такой энергетической волной структурой обладает большей элекгропроводносгью, а значит, меньшим сопротивлением. С Рос том температуры число возбужденных элекгронов увеличиваегся, стало быть, сопротивлени~ полупроводников падает. Возможен и другой механизм перевода электронов из вазентно ~ ой зоны в зону проводимости.
Речь идет о возбуждении электронов квантами света. Термическ" нли оптически возбужденные элелтроны становятся свободнычи электронами проводимости' Таким образом, теория Вильсона объяснила две первые защдки: почему сопротивление полу проводников падает при нагревании и освещении. Впоследствии выяснилось, что проне есс электропроводностн полупроводников значительно сложнее. Квантово-механнческое пред ставление структуры твердого тела подсказывало исслелователям, что освободившиеся от эле" тронов места в процессе их перехода в зону проводимости образуют вакансии или дырка -~ И 1 )14икроэлекгроника вчера и сегодня )Ва „ловятся свободными носителями положительного заряда. Поведение дырок аналогично „ведению возбужденных элелтронов.
Они обладают подвижностью, эффективной массой и „,уг образовывать электрический ток, направление которос о противоположно току элелтро„„„ Стал понятен эффект Холла, когда в одних полупроводниках преобладают отрица- ельные носители заряда, а в других — положительные.
Стиве ясно, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости сп-типа), ля которых эффект Холла имеез отрицательное значение во всей области температур. Вместе с тем, есть полупроводники с положшельным значением эффекта Холла, которые име>т дырочяый тип проводимости (р-тип). Первые были названы донорными, а вторые-.- дцепюрными. Зонная теория "заработала". Открытия посыпались, как из рога изобилия. А вот разгадать загадку контактного сопротивления долго не удавалось. Ни теория Вильсона, ни дальнейшее ее развитие не могли объяснить этот феномен полупроводников. А ме,кду тем на практике широко использовались полупроводниковые выпрямители элелтрического оьа Хорошие выпрямители одновременно выполняли функции хороших фотоэлементов. Выяснилось также, что величина термо-ЭДС в полупроводниках на несколько порядков выше, чем в металлах.
Все эти экспериментальные факты нуждались в обобщении и объяснении. теория Вильсона не могла все объяснить, в частности механизм выпрямленна тока. Оставалась одна загадка — — "загадка века". 1Вли напряженные исследования. В конце 30-х голов три физика — советский Александр Сергеевич Давыдов, английский Невил Фрэнсис Моэт и немецкий Вальтер Шотгки независимо друг от дру~а предложили теорию кон шлтных явлений. Оказывается, в полупроводниковых материалах вблизи границы дырочного и электронного типов полупроводников имеет месю обласгь обеднения гсосителями заряда. В этом месте возникает эффективный электронно-дырочный барьер для равновесных электронов, который не позволяет элелтронам и лыркам свободно "гулять" по полупроводнику.
Через такую систему ток проходит свободно в одном направлении. а в другом — плохо. Электрическое сопротивление системы зависи~ от величины и направления приложенного напряжения. Например, при прилохсении электрического поля в прямом направлении высота барьера снижается, и наоборот.
Неосновные носители заряда (дыркгс в электронном и электроны в дырочном полупроводнике) играют оссределяющую роль. Соотвстогвия между теорешческими и экспериментальными данными были только качественными. Свойства твердо~о тела очень чувствительны к структуре, к присугствию в ней дефектов. К таким чувствительным свойствам относятся электропроводпость, Фогопроводносгь, люминесценция, механическая прочносп,.
Наличие и природа рассматривае"ьсх эффектов, их роль в формировании свойств твердого тела были обнаружены в период сгановления квантовой механики. Одновременно с развитием теории отрабатывались технологичес н "вские процессы получения полупроводников с заданным типом проводимости. В результате иогочнсленных экспериментов удалось изготовить ооразец, вырезанный из цилиндрического слитк "тка, включающий границу перехода между двумя типами проводимосги. Так, впервые был с сл ~отдан р — п-пеоеход, шавший важнейшим элеменюм современной полупроводниковой электроники.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
