Применение полупроводниковых приборов Из истории

Применение полупроводниковых приборов.
Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения
истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников,
объясняя различие в их электрических свойствах неодинаковым заполнением
электронами
разрешенных
зон
и
шириной
запрещенных
зон.
Полупроводниками являются твердые тела, которые при температуре, равной
нулю Кельвина, характеризуются полностью занятой электронами валентной
зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (шириной
менее 3 эВ) запрещенной зоной. Своим названием полупроводники обязаны
тому, что их электропроводность меньше электропроводности металлов и
больше электропроводности диэлектриков.
В природе полупроводники существуют в виде элементов четвертой,
пятой и шестой групп Периодической системы элементов Менделеева.
Типичными полупроводниками являются кремний, германий, мышьяк, селен
и др., а также ряд химических соединений (оксиды, сульфиты, селениды
Контакт двух полупроводников с различным видом примесной проводимости
обладает уникальными электрическими свойствами – он униполярен, хорошо
пропускает ток в одном направлении и плохо - в другом. Интересна история
обнаружения этих контактных свойств.
Из истории открытия полупроводников
Все началось в 1873 г, когда американский ученый Мэй заметил, что при
освещении селен изменяет свою электропроводность (т.н. "внутренний
фотоэффект"), о чем он сообщил Уиолби Смиту и тот опубликовал это
сообщение. В 1874 г немецкий физик Карл Фердинанд Браун [1850-1918]
обнаружил у кристаллов сульфида свинца униполярную проводимость, что
привело к созданию кристаллических детекторов.
Первый такой детектор был сконструирован в 1906 г Пикаром. Он состоял
из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием
("усиком"). Приблизительно в это же время американский военный инженер
Данвуди разработал детектор, в котором использовался кристалл
карборунда (карбида кремния), зажатый между двумя латунными
держателями. История сохранила сведения и об изготовлении детекторов
на базе галенита (сульфида свинца).
Следует отметить, что еще А.С.Попов использовал детектор-выпрямитель
в его приемнике с телефонами (конструкция 1899 г). Хотя конструкция
детектора была очень похожа на когерер Бранли (стеклянная трубка с
платиновыми выводами, заполненная мелкими стальными зернами), он не
требовал встряхивания, а несимметричная проводимость получалась из-за
слоя окисла на стали. А.С.Попов предлагал также комбинации стальных
зерен и угольных электродов, а также детекторы, где контактами служили
стальные, бронзовые и другие пружинки от часовых механизмов.
Диодный детектор использовался в качестве несколько нестабильного
"своенравного" детектора радиочастотных сигналов, генерировавшихся в
то время передатчиками с искровым разрядным промежутком. Созданные,
примерно в тоже время, вакуумные ламповые диоды и триоды были гораздо
более надежными. Свойства кристаллических детекторов подробно
исследовались Пирсом, Икклзом, У.Ториката и др. в 1907-1910 годах. Были
перепробованы сотни детектирующих пар, а конструкция детектора в
штепсельной вилке с регулируемой пружинкой (Cat whisker)
просуществовала без существенных изменений до конца 1940-х годов. В 1922
г молодой сотрудник Нижегородской лаборатории Олег Владимирович
Лосев изобрел т.н. кристадин.
Примерно в тоже время, попыткой создания кристаллического усилителя в
США занимался и немецкий физик Юлиус Е.Лилиенфельд - о чем отмечала
научная пресса в 1925 г.
В 1935 г в Англии был выдан патент на т.н. "полевой" триод немецкому
изобретателю Оскару Хейлю, который не мог объяснить теоретических
основ его работы, и, видимо, по этой причине его изобретение долгое время
оставалось только "на бумаге".
В 1947 г американские физики Уильям Брэдфорд Шокли , Джон Бардин и
Уолтер Х.Брайтен из фирмы "Bell Telephone Laboratories" ("BT")
разработали "точечный" транзистор - первый полупроводниковый
усилитель (за что в 1956 г все трое получили Нобелевскую премию по
физике). А происходило это так: ученые проводили исследования
кристаллического детектора, чтобы изучить закон растекания носителей
заряда от точечного контакта, на поверхность кристалла в
непосредственной близости (десятки микрон) надо было поместить
средство исследования - зонд, представляющий собой тоже точечный
контакт. Они обнаружили, что с помощью тока через один из точечных
контактов можно управлять током, проходящим через второй контакт.
Когда фирма "BT" объявила об этом изобретении широкая пресса,
практически, проигнорировала это событие. Кроме газеты "Нью-Йорк
таймс, которая 1 июля 1948 г поместила на предпоследней странице в
колонке "Новости радио" следующее сообщение: "Вчера фирма "Bell
Telephone Laboratories" (Уэст-стрит, 463) впервые продемонстрировала
изобретенный ею прибор под названием "транзистор", который в
некоторых случаях можно использовать в области электротехники вместо
электронных ламп.
Прибор был продемонстрирован в схеме радиоприемника, не содержавшей
обычных ламп. Было также показано его применение в телефонной системе
и в телевизионном устройстве, управляемом с помощью приемника,
расположенного на нижнем этаже. В каждом из этих случаев транзистор
использовался в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может
использоваться и в качестве генератора, способного создавать и
передавать радиоволны.
Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной
около 13 мм, не содержит полости, из которой откачан воздух, сетки,
анода или стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор
воздуха. Он начинает работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как
в отличии от радиоламп в нем нет накала. Рабочие элементы прибора
состоят всего из двух проволочек, подходящих к кусочку твердого
полупроводникового материала величиной с булавочную головку,
приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на
металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной
проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток".
В первом "точечном" транзисторе два близкорасположенных контакта
(эмиттер и коллектор) были размещены на поверхности германиевого
брусочка (база). V-образный предмет - пластмассовый треугольник, вокруг
которого была обернута золотая фольга, которую затем разрезали
бритвой у вершины треугольника. Треугольник прижимался к пластине
пружиной.
Технические журналы не сразу оценили возможности транзистора. Для
того, чтобы вызвать больший энтузиазм по отношению к прибору фирма
"BT" предоставляла лицензии на него всем желающим и усиленно
рекламировала его на семинарах и в статьях.
В появлении транзистора изготовители эл. ламп, вложившие миллионы в
свои заводы по их выпуску, особой угрозы не видели. "В конце концов,
говорили они, 30 лет разработки и совершенствования ламп сотен
специальных конструкций едва ли можно сбросить со счетов в одну ночь", писал научный обозреватель Лоренс Лессинг в статье "Эра электроники"
июльского номера журнала "Fortune" за 1951 г.
Hо к этому времени потребность в полупроводниковых элементах была на
самом деле исключительно велика - особенно с появлением первых ЭВМ,
низкой надежности электронных ламп и высокими их энергопотреблением и
массогабаритными показателями. Особенно остро эти проблемы
проявились в многоламповой аппаратуре. Достаточно сказать, что ЭВМ
"ЭНИАК", созданная в 1945 г, насчитывала 18000 ламп, занимала площадь
140 кв.м, весила 30 т и потребляла 150 кВт электроэнергии. Надежность ее
работы от отказа до отказа определялась всего 3 часами. Понятно, что в
этот период поиски малогабаритного и высоконадежного элемента,
способного заменить эл. лампу, велись во всех возможных направлениях. Не
было целенаправленого поиска только в области полупроводников. А именно
тут и наткнулись на необходимый эффект.
Первые, так называемые, "точечные" транзисторы встретили весьма
холодный прием со стороны разработчиков аппаратуры, однако им на смену
вскоре появились т.н. "плоскостные" транзисторы, свободные от
недостатков "точечных". В сравнительно короткий срок удалось перейти с
германия, не обеспечивающего применение транзисторной техники в
условиях высоких температур, на более устойчивый к температурным
воздействиям кремний. Появление планарной техники позволило повысить
характеристики транзисторов и перейти к групповым методам проведения
технологических процессов. Самым важным следствием появления
планарной технологии явилась идея изготовления на одном кристалле не
одиночного транзистора, а нескольких транзисторов, диодов и других
элементов, объединенных уже в интегральную микросхему (ИМС). Таким
образом, рождение транзистора обусловило появление и бурное развитие
микроэлектротехники, ставшей, в свою очередь, базой для развития
вычислительной техники и многих направлений электроники.
В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый
прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит
не один, а два р—n-перехода. Основное применение транзистора — это
использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и
напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве
выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый
этап развития электроники — микроэлектроники, поднявший на качественно
иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики.
Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и
принципов их применения. Интегральной микросхемой называют
совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов —
транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных
в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном
кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов,
конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных
элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении
не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ,
размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько
десятков или даже сотен тысяч транзисторов.
Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без
р—n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры),
фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных
управлениях телевизорами и видеомагнитофонами). Полупроводниковые
приборы с p-n переходами могут использоваться также для создания
холодильников и нагревателей (эффект Пельтье), солнечных батарей
(вентильный фотоэффект).