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%.