Исследования полупроводников

С точки зрения электропроводности, все твердые вещества подразделяются на металлы, полупроводники и диэлектрики. Интерес к исследованию электрических свойств полупроводни-ков возник в середине ХIХ в. Еще в 1833 г. М. Фарадей обнару-жил увеличение электропроводности сульфида серебра при по-вышении температуры, что было абсолютно не свойственно ме-таллам. Отдельные ученые, независимо друг от друга, стали изу-чать фотоэлектрические и выпрямляющие свойства некоторых полупроводниковых соединений, подобных сульфиду серебра, сульфиду цинка, селену.

В 1873 г. У. Смит описал явление фотопроводимости: при освещении селена его проводимость возрастала. Так был от-крыт "внутренний фотоэффект". В 1887 г. Г. Герц обнаружил внешний фотоэффект в полупроводниках. Поскольку такими "за-мечательными" свойствами ни металлы, ни диэлектрики не обла-дали, сфера исследований свойств полупроводников была значи-тельно расширена.

Изучение фотоэлектрического эффекта в полупроводни-ках проводилось в научных центрах всего мира. Французский ученый А.-Э. Беккерель в 1839 г. установил фотовольтарический эффект - возможность генерации напряжения при освещении пе-рехода между электролитом и веществом. Исследования русского физика 1913 г. А. Иоффе доказали квантовую природу фотоэф-фекта и были отмечены премией Петербургской Академии наук. А. Столетов в 1888 г. провел опыты по определению законов "внешнего фотоэффекта" и изобрел фотоэлемент. Эти исследова-ния позволили дать теоретическое и экспериментальное обосно-вание возможности прямого преобразования электрической энер-гии в световую с помощью полупроводников.

Воспользовавшись понятием фотона - кванта электромагнитного излучения, А. Эйнштейн в 1905 г. увязал фотоэлектри-ческий эффект с зародившейся квантовой механикой и создал квантовую теорию света. В 1921 г. он получил Нобелевскую премию "за важные физико-математические исследования, осо-бенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта".

Фундаментальные уравнения Дж. Максвелла, подтвержденные опытами Г. Герца в совокупности с законами "внутрен-него фотоэффекта" и "внешнего фотоэффекта" легли в основу изучения полупроводников. Квантово-механические уравнения Э. Шрёдингера позволили понять большинство процессов, проте-кающих в полупроводниках. Развитие теории продолжил совет-ский физик Л. Ландау, который в 1930 г. на основе гипотезы о свободных электронах создал теорию диамагнитных свойств ме-таллов, и его соотечественник И. Тамм, обосновавший в 1931 г. теорию фотоэффекта в металлах. Эти ученые создали теорию проводимости металлов и полупроводников. В 1930-е гг. сущест-венный вклад в развитие теории полупроводников внесли А.-Х. Вильсон и Н. Мотт в Англии, В. Шоттки в Германии и А. Давы-дов и Я. Френкель в СССР.

Полупроводниковые приборы подразделяются на фотоприемники и излучатели. Фотоприемники осуществляют преоб-разование оптических сигналов в электрические. Излучатели преобразуют электрические сигналы в оптические для отображе-ния обработанных данных и представления их в виде, удобном для человека (т.е. биологического зрения), а также для исследо-вания окружающего мира в различных областях оптического спектра. История исследования полупроводников находится в неразрывной связи с физической оптикой, изучающей оптиче-ский диапазон излучения, который подразумевает не только ви-димое, но также ультрафиолетовое, инфракрасное и некоторые другие виды излучения.

Создание полупроводниковых излучателей берет начало в 1923 г. Русский радиоинженер О. Лосев в ходе исследования то-чечно-контактных карбидокремниевых детекторов, использую-щихся в радиотехнике, получил слабое зеленовато - голубое свечение при пропускании через них электрического тока. Это открытие, названное "эффектом Лосева", обсуждалось на заседа-нии Русского физического общества, но практического примене-ния не получило в силу крайне малой интенсивности излучения и нестабильности эффекта. Подобное свечение также наблюдал французский физик Дестрио в 1936 г.

Явление люминесценции (свечения) было известно давно. Так, считалось, что голубое свечение чистых жидкостей, возни-кающее под воздействием γ - излучения, которое исследовалось еще Ж. и М. Кюри, вызвано люминесценцией. Исследования лю-минесценции были продолжены академиком С. Вавиловым. Он предположил, что свечение жидкостей под воздействием γ-лучей, экспериментально наблюдаемое его учеником П. Черенко-вым, имеет совершенно другую природу. Оно вызвано излучени-ем электронов, движущихся с большими скоростями. "Эффект Черенкова - Вавилова" на основе классической электродинамики в 1937 г. был теоретически обоснован советскими физиками И. Таммом и И. Франком. Из теории следовало, что любая заряжен-ная частица, движущаяся в прозрачной среде, должна излучать свет, если ее скорость превышает фазовую скорость света. Эта работа была удостоена Сталинской премии, а в 1958 г. и Нобе-левской премии уже после смерти С. Вавилова.

Понимание процессов, протекающих в полупроводниках, привело к созданию в 1931 г. зонной диаграммы А. Вильсона. Зонная теория полупроводников постулирует, что в твердом теле энергетическое состояние электронов может быть представлено в виде периодической последовательности зон разрешенных и за-прещенных энергий. К разрешенным зонам относятся зона про-водимости и валентная зона. Переход электронов, возбужденных различными способами (разогрев, электрический пробой, осве-щение) на более высокие энергетические уровни, уменьшает со-противление полупроводника. На месте освободившихся элек-тронов образуются дырки, которые могут быть условно пред-ставлены как носители положительного заряда. В зависимости от легирования (введения специальных примесей), существуют по-лупроводники двух типов: n-типа (электронный тип) и p-типа (дырочный тип). Благодаря квантово-механической теории было доказано, что принципиальное отличие электрических свойств полупроводников от металлов определяется энергетической зон-ной диаграммой.

 

Таким образом, теоретические и экспериментальные ис-следования в физике конца ХIХ - первой трети ХХ вв., открытие законов внутреннего и внешнего фотоэффекта позволили обосно-вать возможность обработки электрических сигналов и преобра-зования световой энергии в электрическую с помощью полупро-водников.

Первые электронные приборы

На ранних этапах развития электротехники одно из ее на-правлений составляли дуговые и газоразрядные вакуумные лампы накаливания.

Начало эпохе электронных приборов положило открытие в 1883 г. американским изобретателем Т. Эдисоном эффекта электронной эмиссии (эффект Эдисона). Многократно пытаясь усовершенствовать лампу А. Лодыгина, созданную в 1873 г. (см. документы №№ 76-77 хрестоматии), Эдисон ввел в вакуумный баллон металлический электрод и обнаружил, что, при приложе-нии положительного напряжения в вакууме между электродом и нитью протекает ток. Этот эффект стал единственным фундамен-тальным открытием великого изобретателя, имеющего более 3000 патентов.

В 1904 г., на основе открытия Т. Эдисона, его соотечест-венник Д. Флеминг изобрел диод (2-х электродный прибор), ко-торый нашел применение в качестве преобразователя электро-магнитных колебаний (детектора) в радиотелеграфии.

В 1906 г. Л. де Форест получил патент на новый прибор - триод. Аналогичный лампе Д. Флеминга, он содержал важное новшество - управляющую сетку между нитью накала и анодом. Диод и триод представляли собой вакуумированный стеклянный баллон, в котором размещены катод и анод, а в триоде - еще одна или несколько сеток, управляющих потоком электронов от катода к аноду (см. документ № 80 хрестоматии). В России подобные газонаполненные лампы были разработаны в 1914 г. Н. Папалек-си, а вакуумные - М. Бонч-Бруевичем в 1916 г. (см. документ № 81 хрестоматии). Появление вакуумных диодов и триодов стало началом развития электровакуумной техники.

Таким образом, основу элементной базы вакуумной элек-троники составляли вакуумные лампы: диоды, триоды, выпрям-ляющие, усиливающие и генерирующие электрические сигналы. В электронных системах использовались также резисторы (со-противления), конденсаторы, катушки индуктивности. "Первен-цы" вакуумного приборостроения потребляли большую мощ-ность, имели высокое напряжение питания, большие габаритные размеры и низкую надежность. Тем не менее, именно они стали реальной базой для развития беспроводной связи и радиолока-ции. Радиоэлектроника получила интенсивное развитие благода-ря потребности в средствах связи в годы Первой мировой войны.

В основу создания первых полупроводниковых приборов - фоторезисторов - легло явление фотоэффекта. Полупроводни-ковые материалы того времени были плохо очищены, что вызы-вало нестабильность параметров первых фоторезисторов. Науч-ные и практические исследования были сконцентрированы на поиске новых, более чистых полупроводников. Основное место в исследованиях отводилось специальным добавкам (примесям), которые могли кардинально изменить свойства полупроводнико-вых кристаллов. Фоторезисторы нашли применение в качестве детекторов слабых световых сигналов в различных областях оп-тического спектра.

В 1930-1940-х гг. проводились активные исследования полупроводников. В этот период были заложены основы твердо-тельной электроники, получившей интенсивное развитие в 1950-е гг. Появление фоторезисторов стало началом развития фото-электроники (оптоэлектроники). Достижения вакуумной фото-электроники и фоторезисторной техники помогли обобщить и сформулировать задачи дальнейшего развития электроники и ее направлений.

Предыстория телевидения

Начиная с 1870-х гг. развитие электротехники создавало необходимые условия для установления связи на большие рас-стояния. Принципиальная возможность передачи изображений с помощью электрического сигнала (телевидения) появилась после открытия внутреннего фотоэффекта. Первые попытки передачи единичных и неподвижных изображений (чертежи, рисунки и пр.) на расстояние относятся к 1876 г. и связаны с изобретением телефона А.-Г. Беллом. Проекты "электрического видения", ос-нованные на люминесцентных свойствах селена (было известно, что сопротивление селена меняется в зависимости от количества падающей на него световой энергии), одновременно разрабаты-вались в нескольких странах. Но практически они не были реали-зованы из-за отсутствия теоретических исследований и элемент-ной базы.

Первым важным для будущего изобретением в области телевидения стал "электрический телескоп", запатентованный в Германии в 1884 г. П. Нипковым. Технологии того времени не позволили создать телевизионную систему, предложенную П. Нипковым. Тем не менее, основные элементы этой оптико-механической системы стали моделью для разработки телевизи-онных систем, приблизивших решение задачи видения на рас-стоянии. В период с 1880-1900 гг. в разных странах было разра-ботано более ста систем передачи изображений, основанных на так называемом "диске Нипкова" (осуществляющем оптико-механическую развертку изображения) и использовании селено-вого фоторезистора для преобразования элементов изображения в электрические сигналы.

Механические системы, как предыстория телевидения, могут рассматриваться опосредованно уровню развития техники того времени. Современное телевидение, как полностью элек-тронное, имеет свое происхождение.

Первая электронно-лучевая трубка была сконструирована в 1897 г. К.-Ф. Брауном. Первая электронная телесистема, осно-ванная на использовании электронно-лучевой трубки Брауна, была описана (но не создана по тем же причинам, что и система Нипкова) А.-А. Кемпбелом-Свинтоном в 1908 г.

Термин "телевидение" ввел К. Перский, преподаватель электротехники Константиновского училища Санкт-Петербурга, в прошлом капитан артиллерии. Русский ученый Б. Розинг - уче-ник Перского, разработал в 1907 г. телевизионную систему, в ко-торой использовал механическую развертку в передающем уст-ройстве и электронно-лучевую трубку Брауна в приемном.

Передающая телевизионная трубка (иконоскоп), в кото-рой впервые был использован принцип накопления электриче-ских зарядов в точечных фотоэлементах, была изобретена и за-патентована в 1923 г. в США учеником Б. Розинга В. Зворыки-ным (документ № 82 хрестоматии). Ученый с мировым именем, он по праву заслужил звание "отца телевидения". Изобретение иконоскопа стало поворотным моментом, определившим даль-нейшее развитие телевидения. Начались исследования в области передающих и приемных электронно-лучевых трубок, телевизи-онных передатчиков и приемников, электронных схем развертки. Исследования В. Зворыкина легли в основу создания электрон-ных микроскопов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей, различных приборов медицинской электронной диагностики. В 1930 г. в СССР Л. Кубецкий разра-ботал новый тип фотоприемника - фотоумножитель с фокусиров-кой электронного луча магнитным полем.