Первые полупроводниковые приборы

Первыми в начале ХХ в. появились полупроводниковые диоды, что привело к созданию детекторных приемников, СВЧ-узлов радиолокаторов и твердотельных выпрямителей еще до войны.

Вплоть до середины ХХ в. все усилительно-преобразовательные устройства строились на электронных лампах, изобретенных в начале века [1]. Однако параллельно развивалась и твердотельная электроника, основанная на полупроводниках. Разница между проводниками и изоляторами была известна еще в древности, хотя объяснялась по-другому. Теперь мы знаем, что проводники, например металлы, хорошо проводят электрический ток благодаря свободным электронам, отсутствующим в изоляторах.

Позднее были обнаружены совершенно другие материалы, которые в 1782 г. Алессандро Вольта (Alessandro Volta) назвал полупроводниками . Одним из первых на их особенности указал прибалтийский физик из Ревеля (теперь Таллин) Томас Зеебек (Thomas Seebeck), открывший в 1821 г. термоэлектрический эффект спая меди и висмута. Он обнаружил, что вместо висмута можно использовать минерал галена — сульфид свинца, обычно не проводящий электрического тока. В 1833 г. Фарадей выяснил, что электрическое сопротивление сульфида серебра при нагревании уменьшается, тогда как известно, что для любого металла оно должно увеличиваться. И лишь спустя 40 лет, в 1874 г. немецкий физик Карл Браун (Karl Braun), разделивший в 1909 г. вместе с Маркони Нобелевскую премию за беспроволочную телеграфию, открыл выпрямительный эффект кристалла галена (1) в контакте с подпружиненным проводником (2) (рис. 1) . Позднее изобретение этого устройства, названного «кошачьим усом», породило эпоху детекторных приемников.

Рис. 1. Контакт Брауна

Вплоть до середины ХХ в. все усилительно-преобразовательные устройства строились на электронных лампах, изобретенных в начале века [1]. Однако параллельно развивалась и твердотельная электроника, основанная на полупроводниках. Разница между проводниками и изоляторами была известна еще в древности, хотя объяснялась по-другому. Теперь мы знаем, что проводники, например металлы, хорошо проводят электрический ток благодаря свободным электронам, отсутствующим в изоляторах.

Позднее были обнаружены совершенно другие материалы, которые в 1782 г. Алессандро Вольта (Alessandro Volta) назвал полупроводниками . Одним из первых на их особенности указал прибалтийский физик из Ревеля (теперь Таллин) Томас Зеебек (Thomas Seebeck), открывший в 1821 г. термоэлектрический эффект спая меди и висмута. Он обнаружил, что вместо висмута можно использовать минерал галена — сульфид свинца, обычно не проводящий электрического тока. В 1833 г. Фарадей выяснил, что электрическое сопротивление сульфида серебра при нагревании уменьшается, тогда как известно, что для любого металла оно должно увеличиваться. И лишь спустя 40 лет, в 1874 г. немецкий физик Карл Браун (Karl Braun), разделивший в 1909 г. вместе с Маркони Нобелевскую премию за беспроволочную телеграфию, открыл выпрямительный эффект кристалла галена (1) в контакте с подпружиненным проводником (2) (рис. 1) . Позднее изобретение этого устройства, названного «кошачьим усом», породило эпоху детекторных приемников.

Согласно Шоттки эффект выпрямления имеет место только в контакте с полупроводником n-типа, к которым относится и гален . На рис. 2 (1) — свободные электроны, (2) — дырки, (3) — негативные ионы, (4) — позитивные ионы.

Рис. 2. Переход M-S

Электроны полупроводника n-типа обладают большей энергией, чем у металла, поэтому на границе преобладает переход электронов из полупроводника в металл (справа налево), который формирует слои негативных и позитивных ионов, создающих разность потенциалов — барьер Шоттки. В этом слое отсутствуют как электроны, так и дырки (обедненная зона), что препятствует прохождению электрического тока. При прямом включении, когда к аноду A приложен положительный (относительно катода К) потенциал батареи, превышающий потенциальный барьер, электроны полупроводника свободно переходят в металл, создавая прямой ток. При обратном включении (+ на катоде) часть электронов нейтральных атомов полупроводника притягивается к катоду, образуя дополнительные слои позитивных ионов на границе и увеличивая потенциальный барьер, мешающий прохождению электрического тока. Таким образом, «кошачий ус» действует аналогично выпрямительному диоду Флеминга.

В канун ХХ в. индийский ученый Джагдиш Чандра Бос (Jagadish Chandra Bose) обнаружил, что ряд полупроводников обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии электромагнитных колебаний, и запатентовал в 1901 г. устройство для детектирования радио- и световых сигналов (рис. 3) . Оно содержит чувствительный элемент в виде двух контактов (1), укрепленных на пружинных металлических пластинах (2) с винтом (3), регулирующим поджим контакта. Один из контактов состоит из минерала галена. Луч света (или радиосигнал), попадая на чувствительный элемент через линзу (4), вызывает отклонение гальванометра (5), соединенного с батареей (6)

Рис. 3. Детектор Боса

С помощью подобного устройства и искрового передатчика Бос продемонстрировал в 1895 г. в Калькутте передачу через кирпичную стену радиосигналов, вызывающих звук колокольчика и взрыв порохового заряда. Он изобрел также ртутный когерер, использованный Маркони при первой трансатлантической передаче радиосигнала в 1901 г. Таким образом, Боса считают, наряду с Поповым и Маркони, одним из первооткрывателей радио. Он получил высшее образование в Англии и докторскую степень в Университете Лондона. Вернувшись в Индию, посвятил жизнь преподаванию и исследованиям в области радиофизики, а также биологии и археологии. Был удостоен рыцарского звания Британской империи. Был твердым противником патентования научных результатов, а описанный выше единственный патент зарегистрирован на его имя друзьями.

Один из первых детекторных приемников с контактом стальной иглы с коксом был создан в 1900 г. Александром Степановичем Поповым в Петербурге [8].

Однако на практике использовать полупроводниковый детектор в радиосвязи стали только после того, как американец Гринлиф Пикард (Greenleaf Pickard) изобрел в 1906 г. детекторный приемник, названный кристаллическим радио (рис. 4) .

Рис. 4. Приемник Пикарда

Этот приемник содержит приемную антенну A, соединенную с двумя переменными катушками индуктивности L1 и L2 и конденсаторами C1 и С2, телефон T и кристаллический детектор D, выпрямляющий высокочастотный сигнал антенны, т. е. демодуляцию. С помощью переменных катушек индуктивности и конденсатора C1 настраиваю частоту выбранной радиостанции, а индуктивность L2 и конденсатор С2 фильтруют выпрямленный сигнал. Наиболее существенная часть изобретения, детектор D, имеет металлическую чашку (1) с вплавленным в нее кристаллом кремния (2), в который упирается подпружиненный заостренный контакт (3) (рис. 5).

Рис. 5. Детектор Пикарда

В описании изобретения действие устройства, названного термо-переходом, объясняется электротермическим эффектом контакта металл-кремний за счет тепла, выделяемого в кремнии высокочастотным сигналом. Однако согласно теории Шоттки в данном случае действует переход металл-кремний n-типа, который Пикард подобрал, перепробовав 30 тыс. материалов. Впоследствии подобные устройства были названы точечными диодами, или диодами Шоттки, и в них, помимо кремния, использовались карборунд или минерал галена [9]. При практическом применении таких диодов оказалось, что рабочую точку контакта приходится с трудом выискивать — потому появилась конструкция, названная «кошачьим усом», c пружинкой (1), кристаллом (2) и рукояткой настройки (3) (рис. 6).

Рис. 6. «Кошачий ус»

Простота, доступность изготовления, отсутствие источников питания лампового приемника привели к эпидемии радиолюбительства, достигшей своего пика в 1920-х гг. с началом радиовещания . Именно детекторные приемники сделали радио всенародно любимым. Во время Второй мировой войны на оккупированных Германией территориях было запрещено слушать радио, а тайное включение обычных супергетеродинных приемников легко засекалось немецким оборудованием. Тогда как детекторные приемники, работающие только на энергии принимаемого сигнала, исправно действовали под носом у немцев.

Яркий вклад в развитие полупроводниковой техники внес советский ученый и изобретатель Олег Владимирович Лосев (рис. 7).

Рис. 7. Олег Владимирович Лосев (1903–1942)

Он родился в Твери в семье конторского служащего дворянского происхождения. В школьные годы увлекся радиотехникой, посещая лабораторию Тверской дуговой электростанции, построенную в начале Первой мировой войны для связи с союзниками. После окончания школы поступил в Московский институт связи, но оставил учебу и в 1920 г. устроился в Нижегородскую радиолабораторию, где занялся улучшением приемников с «кошачьим усом». В 1922 г., подбирая наилучший кристалл, он неожиданно обнаружил, что минерал цинкит позволяет создать генератор незатухающих колебаний (кристадинный эффект) по схеме (рис. 8), где устойчивые колебания возникают в контуре: емкость С, индуктивность L и детектор D, питаемый от батареи B через резистор R.

Рис. 8. Генератор Лосева

Понимая, что для обычного детектора такое в принципе невозможно, Лосев снял его вольт-амперную характеристику и обнаружил на ней падающий участок AB с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 9), где u (В) — напряжение на детекторе, а J (мА) — ток, проходящий через него.

Рис. 9. Характеристика детектора Лосева

Знакомый с дуговыми генераторами, в которых дуга имеет подобную падающую характеристику, Лосев предположил, что в его детекторе также действует микро-разряд. Тогда работа генератора легко объяснима. При подаче напряжения от батареи в исходной точке A характеристики начинается заряд конденсатора и одновременно рост тока через детектор, сопровождающийся уменьшением его сопротивления до точки B. Это вызывает процесс разряда конденсатора, уменьшение тока через детектор и его возврат в исходную точку высокого сопротивления. Частота возникших автоколебаний определяется реактивными элементами цепи.

Лосев использовал данный генератор для радиопередатчика, а также регенеративного и суперрегенеративного приемников, добившись по сравнению с обычным детекторным приемником 15-кратного усиления сигнала. Приемник Лосева, работавший без дорогостоящих радиоламп, стал весьма популярным в СССР и даже продавался в США в 1924 г. под названием «Кристадин». После перевода в 1928 г. Нижегородской лаборатории в Ленинград и включения ее в Центральную радио­лабораторию Лосев, уже известный ученый, продолжил там, а впоследствии на кафедре физики Первого медицинского института исследования полупроводников. Тогда же он открыл явление свечения полупровод­никовых диодов и провел исследования фотоэффекта. Опубликовал 21 статью и 18 изобретений, вследствие чего ему была присвоена кандидатская степень без диплома о высшем образовании и защиты диссертации. Отказавшись эвакуироваться в начале войны из осажденного Ленинграда, он умер от голода в возрасте 38 лет. Кристадинный эффект получил научное объяснение лишь спустя более 30 лет, когда были открыты туннельные диоды [4].

Вскоре электронные лампы полностью вытеснили кристаллические детекторы. Однако в 1930-е гг. при создании радиолокаторов, которые спасли Англию от массированных налетов германской авиации во время войны, возникла проблема с СВЧ-детекторами, поскольку на таких частотах ламповые диоды не работали [4, 9]. Сотрудник известной американской лаборатории Bell Labs, созданной в 1925 г. компанией AT&T, Джордж Саутворт (George Southworth), перепробовав всевозможные диоды, обнаружил, что на высоких частотах работает только «кошачий ус». В результате уже перед войной были созданы герметичные конструкции точечных СВЧ-диодов для радиолокаторов в виде вольфрамового «уса», упирающегося в пластину кремния.

Кроме того, в конце 1930-х гг. уже было твердо установлено, что добавки мышьяка или индия превращают чистый кремний в полупроводник n— или p-типа соответственно. Более удивительным было то, что, как обнаружил сотрудник той же лаборатории Рассел Ол (Russell Ohl) в 1939 г., в одном и том же слитке могут быть образованы зоны разной проводимости, на границе которых находится p-n-переход (рис. 10) . Здесь, в отличие от M-S-перехода (рис. 2), зона p-типа (анод А) имеет избыток дырок, а n-типа (катод К) — избыток электронов. В таком случае часть электронов катода переходит через границу налево, образуя, аналогично рис. 2, обедненную зону негативных и позитивных ионов с потенциальным барьером, однако с большим по сравнению с M-S-переходом потенциалом .

Рис. 10. p-n-переход

При прямом включении (+ батареи на аноде) с напряжением, превышающим потенциальный барьер, электроны свободно перемещаются от катода к аноду. При обратном включении (+ батареи на катоде) электроны катода переходят в батарею, увеличивая, аналогично рис. 2, ширину обедненной зоны.

Это открытие привело к созданию плоскостных диодов, имеющих по сравнению с точечными бо?льшую площадь перехода и, соответственно, гораздо больший выпрямляемый ток, однако и бо?льшую емкость, что ограничивает их применение низкочастотными выпрямителями. В настоящее время диоды с p-n-переходом выполняются на основе германия и кремния, однако им предшествовали и другие полупроводниковые материалы, например селен и закись меди [2, 3, 4, 9]. Первый выпрямитель на основе селена, покрытого слоем золота, был создан еще в 1883 г. для солнечной батареи американским изобретателем Чарльзом Фритсом (Charles Fritts) . Медно-закисные элементы предложил американский физик Ларс Грондаль (Lars Grondahl) в 1926 г.

Исследования полупроводниковых диодов послужили трамплином для создания транзисторов и интегральных схем, совершивших на наших глазах революцию в информационных технологиях.

Первыми полупроводниковыми приборами были кристаллические детекторы с переходом металл-полупроводник, использованные в начале ХХ в. Босом и Пикардом для приема радиосигналов.



В 1920-х гг. Лосев открыл детекторы с отрицательным дифференциальным сопротивлением, пригодные для полупроводниковых генераторов и приемников с эффектом усиления.



В конце 1930-х гг. были созданы точечные диоды с переходом металл-полупроводник (для СВЧ-приемников) и плоскостные диоды с p-n-переходом (для выпрямителей).



В обоих случаях выпрямительный эффект объясняется образованием в переходе потенциального барьера и изолирующего слоя, лишенного носителей электричества (электронов или дырок).

Источник: https://controlengrussia.com/retrospektiva/pervye-poluprovodnikovye/