Введення
Фізика напівпровідників має велике значення в сучасному світі. Дослідження провідності різних математиків почали проводитися в XIX столітті. Вивчення властивостей напівпровідників почалося, коли виникла потреба в нових джерелах енергії. На основі напівпровідників були створені нові прилади: термоелектрогенератори, сегнетоелектричні і фотоелектричні прилади. Напівпровідники мають велику область застосування. Крім радіотехніки на основі напівпровідників розроблені фотоелементи, фотодіоди, інтегральні схеми. Це все призвело до появи нових ЕОМ і ПК.
Видно, що впродовж XIX - XX століть, фізика напівпровідників розвивається, напівпровідники впроваджуються у розвиток радіотехніки та інші галузі. Ця тема актуальна протягом двох століть. В даний час ця тема продовжує вивчатися. Зараз же вирішуються проблеми фізики напівпровідників, такі як: гетероструктури у напівпровідниках, квантові ями і точки, зарядові та спінові хвилі, мезоскопія, квантові явища в напівпровідникових системах, нанотрубки.
Ці проблеми обговорювалися 19 червня 2002 в ДАІШ на міжнародній конференції «Темна матерія, темна енергія і гравітаційна лінзування» В.Л. Гінзбургом.
Метою мого реферату є - вивчити дослідження напівпровідників на протязі з XIX до теперішнього часу.
Завдання:
Показати внесок видатних діячів у вивчення властивостей напівпровідників і розкрити основний положення їхніх робіт.
Розкрити основні проблеми фізики напівпровідників в даний час.
Показати область застосування напівпровідників і їх розвиток
1. Поняття про напівпровідників
Напівпровідники як особливий клас речовин, були відомі ще з кінця XIX століття, тільки розвиток теорії твердого тіла дозволила зрозуміти їх особливість задовго до цього були виявлені:
1. ефект випрямлення струму на контакті метал-напівпровідник
2. фотопровідність
Властивості напівпровідників
Напівпровідники - широкий клас речовин, що характеризується значеннями питомої електропровідності d, що лежить у діапазоні між питомою електропровідністю металів і хороших діелектриків, тобто ці речовини не можуть бути віднесені як до діелектрика (так як не є хорошими ізоляторами), так і до металів (не є хорошими провідниками електричного струму). До напівпровідників, наприклад, відносять такі речовини як германій, кремній, селен, телур, а також деякі оксиди, сульфіди і сплави металів.
Напівпровідники довгий час не привертали особливої уваги вчених та інженерів. Одним з перших почав систематичні дослідження фізичних властивостей напівпровідників видатний радянський фізик Абрам Федорович Іоффе. Він з'ясував що напівпровідники - особливий клас кристалів з багатьма чудовими властивостями:
1) З підвищенням температури питомий опір напівпровідників зменшується, на відміну від металів, у яких питомий опір з підвищенням температури збільшується. Причому як правило в широкому інтервалі температур зростання це відбувається експоненціонально.
Питомий опір напівпровідникових кристалів може також зменшаться при дії світла або сильних електронних полів.
2) Властивість односторонньої провідності контакту двох напівпровідників. Саме ця властивість використовується при створенні різноманітних напівпровідникових приладів: діодів, транзисторів, тиристорів і ін
3) Контакти різних напівпровідників у певних умовах при освітленні або нагріванні є джерелами фото - е. д. с. або, відповідно, термо - е. д. с.
Будова напівпровідників і принцип їх дії.
Як було вже сказано, напівпровідники є особливим класом кристалів. Валентні електрони утворюють правильні ковалентні зв'язки, схематично представлені на рис. 1. Такий ідеальний напівпровідник зовсім не проводить електричного струму (при відсутності освітлення і радіаційного опромінення).
Так само як і в непроводнікамі електрони в напівпровідниках пов'язані з атомами, проте цей зв'язок дуже нетривка. При підвищенні температури
(T> 0 K), освітленні або опроміненні електронні зв'язку можуть розриватися, що призведе до відриву електрона від атома (рис. 2). Такий електрон є носієм струму. Чим вище температура напівпровідника, тим вище концентрація електронів провідності, отже, тим менше питомий опір. Таким чином, зменшення опору напівпровідників при нагріванні обумовлено збільшенням концентрації носіїв струму в ньому.
На відміну від провідників носіями струму в напівпровідникових речовинах можуть бути не лише електрони, але і «дірки». При втраті електрона одним з атомів напівпровідника на його орбіті залишається порожнє місце - «дірка» при впливі електричним поле на кристал «дірка» як позитивний заряд переміщується у бік вектора E, що фактично відбувається завдяки розриву одних зв'язків і відновлення інших. «Дірку» умовно можна вважати частинкою, що несе позитивний заряд.
Домішкова провідність.
Один і той же напівпровідник має або електронною, або діркової провідністю - це залежить від хімічного складу введених домішок. Домішки роблять сильний вплив на електропровідність напівпровідників.
Так, наприклад, тисячні частки відсотків домішок можуть у сотні тисяч разів зменшити їх опір. Цей факт, з одного боку, вказує на можливість зміна властивостей напівпровідників, з іншого боку, він свідчить про труднощі технології при виготовленні напівпровідникових матеріалів із заданими характеристиками.
Розглядаючи механізм впливу домішок на електропровідність напівпровідників, слід розглядати два випадки:
Електронна провідність.
Добавка в германій домішок, багатих електронами, наприклад миш'яку чи сурми, дозволяє отримати напівпровідник з електронною провідністю або напівпровідник n - типу (від латинського слова «негатівус» - «негативний»).
Діркова провідність
Добавка в той же германій алюмінію, галію або індію створює в кристалі надлишок дірок. Тоді напівпровідник буде володіти діркової провідністю - напівпровідник p - типу.
Діркова домішкова електропровідність создется атомами мають меншу кількість валентних електронів, ніж основні атоми. На рис. 4 схематично показані електронні зв'язку германію з домішкою бору. При 0 До всі зв'язки укомплектовані, тільки у бору не вистачає одного зв'язку (див рис. 4а). Однак при підвищенні температури бор може наситити свої зв'язки за рахунок електронів сусідніх атомів (див рис. 4б).
Подібні домішки називаються акцепторними.
2. Рідкі напівпровідники
Плавлення багатьох кристалічних напівпровідників супроводжується різким збільшенням їх електропровідності Q до значень типових для металів (див рис. 5а). Проте для ряду напівпровідників (наприклад HgSe, HgTe і. Т.д.) характерно збереження або зменшення Q при плавленні і збереження напівпровідниками характеру температурної залежності Q (див рис. 5б). Деякі Рідкі напівпровідники при подальшому підвищенні температури втрачають напівпровідникові властивості і набувають металеві (наприклад, сплави Te - Se, ботатие Te). Сплави ж Te - Se, багаті Se поводяться інакше, їх електропровідність має чисто напівпровідниковий характер.
У Жидкіх напівпровідниках роль забороненої зони грає область енергії поблизу мінімуму щільності станів в енергетичному спектрі електронів.
При досить глибокому мінімумі в його околиці з'являється зона майже локалізованих станів носіїв зарядів з малою рухливістю (псевдощель). Якщо при підвищенні температури відбувається «схлопування» псевдощелей, рідкий напівпровідник перетворюється на метал.
3. Поняття про активні діелектриках
Активні діелектрики
Активними діелектриками, або керованими діелектриками, прийнято називати такі діелектрики, властивості яких істотно залежать від зовнішніх умов - температури, тиску, напруженості поля і так далі. Такі діелектрики можуть служити робочими тілами в різноманітних датчиках, перетворювачах, генераторах, модуляторах та інших активних елементах.
До активних діелектриків відносять сегнетоелектрики, п'єзоелектрики, Електрети, матеріали квантової електроніки, суперіонних провідники та ін Сувора класифікація активних діелектриків неможлива, оскільки один і той же матеріал може проявляти ознаки різних активних діелектриків. Так, сегетоелектрікі часто поєднують властивості п'єзоелектриків. Крім того, немає різкої межі між активними і пасивними діелектриками. Один і той же матеріал в залежності від умов експлуатації може виконувати або функції пасивного ізолятора, які активні функції перетворюючого або керуючий елемент.
Сегнетоелектрики
Сегнетоелектриками називають матеріали, що володіють спонтанною поляризацією, напрямок якої може бути змінено за допомогою
зовнішнього електричного поля.
У відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрики, як правило, мають доменну структуру, тобто розбиваються на мікроскопічні області, що володіють спонтанною поляризацією. У принципі, у феромагнетиків також є домени - області спонтанного намагнічування, тому поведінка сегнетоелектриків в електричному полі подібно до поведінки феромагнетиків в магнітному полі. Єдиним розходженням між сегнетоелектриками і феромагнетиками є те, що при приміщенні в електричне поле міняється вектор електричного зміщення D = E + P, а у феромагнетиків при приміщенні в магнітне поле змінюється індукція B = H + I.
За кордоном сегнетоелектрики називають ферроелектрікамі, оскільки сегнетоелектрики є формальними аналогами феромагнетиків.
Вітчизняне назва - сегнетоелектрики походить від сегнетової солі, подвійний калій-натрієвої солі винно-кам'яної кислоти (NaKC4H4O6). Сегнетова сіль була першим матеріалом, в якому виявлено спонтанна поляризація. Властивості сегнетової солі були всебічно досліджені І.В. Курчатовим спільно з П.П. Кобеко на початку тридцятих років двадцятого століття. Монокристали сегнетової солі знайшли широке застосування для виготовлення різних приладів у роки Великої Вітчизняної війни, проте в даний час сегнетова сіль втратила своє технічне значення через низьку вологостійкості і низьких механічних властивостей. Дуже інтенсивно почали розвиватися фундаментальні і прикладні роботи зі сегнетоелектрики після відкриття Б.М. Вулом (1944 р.) сегнетоелектричних властивостей титанату барію BаTiO3.
На прикладі BаTiO3 розглянемо структуру і властивості сегнетоелектриків.
Хімічні зв'язки в BаTiO3 іонно-ковалентні. Титанат барію кристалізується в структуру типу перовськит. Елементарну осередок грат такого типу можна представити таким чином: основу структури складають кисневі октаедри, в центрі яких розташовані іони титану. У свою чергу, іони кисню центрують грані куба, складеного з іонів барію.
Розміри елементарної комірки більше подвоєною суми іонних радіусів іонів титану і кисню. Тому іон титану має деяку свободу переміщення в кисневому октаедрі.
При досить високих температурах теплова енергія іона титану достатня для того, щоб він безперервно перекидався від одного іона кисню до іншого, тому усереднене положення іона титану знаходиться в центрі елементарної комірки, і елементарна комірка є симетричною - кубічної.
Зниження температури веде до зниження кінетичної енергії іона титану і при деякій температурі (нижче 120 ° С) він локалізується поблизу одного з іонів кисню. У результаті, симетрія в розташуванні заряджених частинок порушується, і елементарна осередок набуває дипольний момент. У сусідній елементарній комірці іон титану зміщується до негативного полюса утворився диполя. Таким чином, сусідні елементарні осередки стають спонтанно поляризованими.
Одночасно зі спонтанною поляризацією йде деформація кристалічної решітки, і кубічна решітка стає ромбоедріческой.
Отже, нижче деякої температури (температури Кюрі) сегнетоелектрики мимовільно поляризуються, і при цьому деформується їх кристалічна решітка. Вище температури Кюрі сегнетоелектрики переходять в параелектріческое стан, і кристалічна решітка стає симетричною. Зміна типу кристалічної решітки при переході через точку Кюрі прийнято називати фазовим переходом.
Освіта доменів в кристалах сегнетоелектриків пов'язано з тим, що в тому випадку, коли всі сусідні елементарні комірки кристала поляризовані в одному і тому ж напрямку, навколо кристала з'являється зовнішнє електричне поле. Наявність електричного поля підвищує енергію системи і для зниження енергії кристал мимовільно розбивається на домени.
Оскільки нижче температури Кюрі симетрія кристалічної решітки зменшується, то число напрямів, уздовж яких вигідна спонтанна поляризація сусідніх кристалічних граток, порівняно мало. Такими напрямками будуть напрями типу <111>. Відповідно сусідні домени можуть бути разоріентіровани на 180 або на 90 градусів. Оскільки сумарні електричні моменти сусідніх доменів антіпараллельни або перпендикулярні, то в цілому кристал сегнетоелектрики не володіє електричним моментом.
Важливо відзначити, що на кордонах доменів відбувається поступовий поворот дипольних моментів з одного напрямку в інший, аналогічно тому, як відбувається цей поворот у феромагнетиках. У цьому ще одна схожість сегнетоелектриків з феромагнетиками. Очевидно, що кордони доменів в сегнетоелектриках взаємодіють зі структурними недосконалостями решітки так само, як і феромагнетиках.
4. Народження напівпровідникового діода
Важливими з'явилися роботи німецького фізика К.Ф. Браун а з дослідження провідності цілого ряду напівпровідників, сірчистого цинку, перекису свинцю, карборунда та інших, проведені в перебігу 1906 м. У результаті досліджень була виявлена одностороння провідність напівпровідників. Це послужило поштовхом до створення кристалічного детектора тільки не К.Ф. Брауном, а американським генералом Х. Дамвуді (HH Dunwody) у тому ж 1906
Нобелівська мова К.Ф. Брауна називалася «Мої роботи по бездротовій телеграфії і електрооптики». Згодом вона була видана окремою книгою в Росії, в Одесі в 1910 р.
Н а деякий час кристалічний детектор поступився своїм місцем в радіоприймачі електронній лампі. Двоелектродна лампа, яка використовується для перетворення струмів високої частоти в струми звуковий (низької) частоти, в радіоприймальної та вимірювальної апаратури носить назву діод-детектор. Широке впровадження в радіотехніку електронних ламп не зупинило досліджень щодо вдосконалення кристалічних детекторів.
У 1919 році вдосконаленням детектора захопився молодий радіоаматор Олег Володимирович Лосєв. Мріючи присвятити життя радіотехніці, він почав з того, що ще зовсім юним поступив розсильним на першу в нашій країні Нижегородську радіолабораторію. Тут помітили допитливого і талановитого юнака. Співробітники лабораторії допомогли йому поповнити освіту, і незабаром Лосєв приступив до самостійної наукової праці.
У лютому 1922 р. 19-річний науковий співробітник Нижегородської лабораторії Олег Лосєв результаті цілеспрямованого дослідження виявив короткий подає ділянка вольтамперної характеристики кристалічного детектора, використовуючи який, можна приводити до самозбудження коливальний контур. Він сконструював радіоприймач з генеруючим кристалом, названий 'крістадінов', що означало кристалічний гетеродин. У детекторі цього приймача використовувалося пара 'цинкіт - вугільна нитка', на яку подавалося постійна напруга порядку 10В. Він встановив, що основною умовою генерування і посилення такої пари є негативне опір контактної пари детектора. Пізніше замість цинкита стали використовувати галеніт. Для того часу відкриття Лосєва було дуже важливим. Адже звичайний детекторний приймач давав можливість слухати лише близькі станції. Далекий прийом, особливо в містах, де багато перешкод і важко влаштувати високу і довгу антену, опинявся практично неможливим.
Лосєв відразу ж опублікував свої відкриття, не запатентувавши їх, не вимагаючи за них ніякої грошової винагороди. У багатьох країнах радіоаматори взялися будувати приймачі за його схемами.
9 березня 1927 О. Лосєв повідомив про результати досліджень детекторної пари «карборунд - сталева голка ». Він виявив слабке світіння на стику досліджуваної пори різнорідних матеріалів при проходженні через неї струму.
Характеристики світіння, зазначені ним у той час, сьогодні є найважливішими для сучасних світлодіодів, індикаторів, оптронів і випромінювачів інфрачервоного світла. Тільки після освоєння виробництво напівпровідників почалося використання ефекту світіння О. Лосєва.
Минуло понад 30 років, перш ніж кристалічний детектор повернувся на своє місце. За цей час були з'ясовані принципи роботи напівпровідників та накладено їх виробництво. Зараз промисловість випускає великий асортимент кристалічних детекторів, за сучасною класифікацією вони носять назву напівпровідникових точкових діодів. При їх виготовленні використовують метод електричної формування, тобто потужні короткочасні імпульси струмів пропускають через точковий контакт. При цьому контакт розігрівається, про кінчик голки сплавляється з напівпровідником, забезпечуючи механічну міцність. В області контакту утворюється маленький напівсферичний р-п-перехід. Такі діоди мають стійкі електричні параметри.
Так як в даний час лампові діоди використовуються дуже рідко і найбільшого поширення набули напівпровідники, то напівпровідникові діоди називають просто діодами. Порівняння вольтамперних характеристик вакуумного та напівпровідникового діодів показує, що в області прямої напруги характеристика напівпровідникового діода нагадує лампову. Р о зніца лише в тому, що один і той же струм для напівпровідникового діода виходить при значно менших напругах. Це і є перевагою напівпровідникових діодів при використанні їх у випрямлячах. Недолік напівпровідникового діода - наявність зворотного струму, хоч і невеликого у порівнянні з прямим струмом. Діоди, використовувані в схемах випрямлення, називають також вентилями.
У 1926 р. був запропонований напівпровідниковий випрямляч змінного струму з закису міді. Пізніше з'явилися випрямлячі з селену та сірчистої міді. Бурхливий розвиток радіотехніки (особливо радіолокації) в період другої світової війни дало новий поштовх до досліджень в галузі напівпровідників. Були розроблені точкові випрямлячі змінних струмів НВЧ на основі кремнію і германію, а пізніше з'явилися площинні германівие діоди.
Напівпровідникові прилади швидко і широко поширилися за 50-ті-70-ті роки в усі галузі народного господарства.
У 1957 р. клас діодів поповнився новими приладами - керованими напівпровідниковими вентилями. Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) д а ла їм назву тиристори. Слово «тиристор» складається з двох слів: грецького thyra - двері, вхід і англійської resistor - опір. Тиристори представляють клас напівпровідникових приладів, що поділяється на діодні (діністори), тріодних (тріністор), що замикаються і симетричні (симистора).
5. Історія розвитку напівпровідників
Після винаходу в 1904 р. Дж. Флемінгом двоелектродної лампи-діода і Л. Де Форестом в 1906 р. трьохелектродної лампи-тріода радіотехніці відбулася революція. Ці винаходи дозволили підсилювати не тільки телеграфні сигнали, але й перейти до радіотелефонії - передачу по радіо людського голосу. Крім цього, вони дозволили посилювати високочастотні коливання.
Розпочався бурхливий розвиток радіотехніки. Але одночасно з ним було виявлено недоліки застосування вакуумних електронних приладів. Електронна лампа має невеликий термін служби. Прийнявши середній термін служби лампи за 500 годин, при кількості ламп в одному пристрої 2000 штук в середньому кожні 15 хвилин слід було б очікувати відмови принаймні 1 лампи. Для виявлення несправності слід перевірити як мінімум кілька сотень ламп. Найбільш вразливою частиною ламп є нитка розжарення. При включенні і виключенні приладу нитку по черзі розжарюється і охолоджується, що підвищує вірогідність її перегорання. Для розігріву лампи потрібно потужність в соті долі вата. Помножена на кількість ламп потрібна потужність досягає декількох сотень, а іноді тисяч ват.
Недоліки електронних ламп особливо гостро виявилися в кінці 40-х-початку 50-х рр.. минулого століття з появою перших електронно-обчислювальних машин. Їх надійність і розміри визначалися саме розмірами, енергетичної ємністю та надійністю використовуються в них вакуумних ламп.
Вихід з кризи відкрили напівпровідникові прилади, які, незважаючи на свої недоліки, мали явні переваги в порівнянні з лампами: невеликі розміри, миттєва готовність до роботи через відсутність нитки напруження, відсутність тендітних скляних балонів. Ці необхідні в той час властивості спонукали до пошуку способів усунення недоліків напівпровідників.
Дослідження провідності різних матеріалів почалися безпосередньо у XIX ст. відразу після відкриття гальванічного струму.
Спочатку їх ділили на дві групи: провідники електричного струму і діелектрики, або ізолятори. До перших відносяться метали, гази і розчини солей. Їх здатність проводити струм пояснюється тим, що їх електрони порівняно легко відриваються від атома. Особливий інтерес представляли ті з них, які володіли низьким електричним опором і могли застосовуватися для передачі струму (мідь, алюміній, срібло).
До ізоляторам відносяться такі речовини, як фарфор, кераміка, скло, гума. Їх електрони міцно пов'язані з атомами.
Пізніше були відкриті матеріали, чиї властивості не підходили повністю ні під одну з вищезгаданих категорій.
Ці речовини одержали назву напівпровідників, хоча вони цілком заслуговували і назву «полуізолятори». Вони проводять струм дещо краще, ніж ізолятори, і значно гірше провідників.
До напівпровідників належить велика група речовин, серед яких графіт, кремній, бор, цезій, рубідій, галій, кадмій і різні хімічні сполуки - оксиди і сульфіди, більшість мінералів і деякі сплави металів. Особливо велике значення германію, а також кремнію, завдяки яким сталася воістину технічна революція в електротехніці.
Вивчення властивостей напівпровідників почалися, коли виникла потреба в нових джерелах електрики. Це змусило дослідників звернутися до вивчення явищ, пов'язаних з утворенням так званої контактної різниці потенціалів. Було відмічено, зокрема, що багато матеріалів, які не є провідниками струму, електризуються при зіткненні між собою. Перші досліди в цьому напрямку проводилися в XIX ст. Г. Деві і AG Беккерелем.
Ще один напрямок у дослідженні напівпровідників з'явилося в процесі вивчення провідності таких речовин, як мінерали, сполуки металів з сіркою і киснем, кристали, різні діелектрики і т.п. У цих роботах досліджувалася величина провідності і вплив на неї температури. Дослідження в середині XIX ст. ряду колчеданов і окислів показало, що зі збільшенням температури їх провідність швидко зростає. Багато кристали (гірський кришталь, кам'яна сіль, залізна блиск) виявляли анізотропію (неоднаковість властивостей усередині тіла) по відношенню до електропровідності. У 1907 р. Пірс відкрив уніполярних (односторонню) провідність в кристалах карборунда: їх провідність в одному напрямі виявилася приблизно в 4000 разів більшою, ніж у протилежному.
У ході цих досліджень було також встановлено, що істотний вплив на провідність напівпровідників надають містяться в них домішки. У 1907-1909 рр.. Бедекер зауважив, що провідність йодистой міді та йодистого калію істотно зростає, приблизно в 24 рази, при наявності домішки йоду, яка не є провідником.
У II половині XIX ст. були відкриті ще 2 явища, пов'язані з напівпровідниками - фотопровідність і фотоефект.
Було виявлено, що світлові промені впливають на провідність окремих речовин, серед яких особливе місце займав селен. Вплив світла на провідність селену вперше відкрив в 1873 р. Мей, про що повідомив В. Сміту, якому іноді приписують честь цього відкриття.
Незвичайні властивості селену використовувалися в ряді приладів. Так, В. Сіменс спорудив фізичну модель ока з рухомими століттями і з селеновим приймачем на місці сітчастої оболонки. Його повіки закривалися, коли до нього підносили свічку. Той же Сіменс, використовуючи властивості селену, побудував інший оригінальний фізичний прилад - фотометр з селеновим приймачем. Корн намагався побудувати телефонограф, службовець для передачі зображень на відстань.
До іншого подібному явищу, пов'язаному з дією світла на матеріали, можна віднести фотоефект. Вперше це явище відкрив у I половині XIX ст. А.С. Беккерель. Сутність його спостережень зводилася до того, що два однакових електрода, вміщені в одному електроліті при однакових умовах, виявляли різницю потенціалів, коли на один з них направляли потік світла.
У 1887 р. Герц помітив подібне ж явище в газовому середовищі. Він встановив, що ультрафіолетове світло, яке випромінюється однієї іскрою, полегшує проходження розряду в сусідньому іскровому проміжку, якщо при цьому висвітлюється негативний електрод. Спостереження Герца, вивчене потім А.Г. Столєтова, призвело до відкриття фотоелектричного ефекту, що полягає в випущенні тілами негативного електрики під впливом світла.
У радіотехніці спочатку знайшли застосування деякі оксиди, зокрема кристали цинкита і халькопіриту. Було виявлено, що вони мають властивість випрямляти електричний струм. Це дозволило застосовувати їх для детектування радіосигналів - відділення струму звукової частоти від несучих сигналів. У перших аматорських радіоприймачах початку XX ст. для детектування використовувалися справжні напівпровідники. Але звернення з ними вимагало великих зусиль. Для прийому сигналів було потрібно потрапити тонкою голкою в певну точку на кристалі. Це було ціле мистецтво і ті, хто ним володів, цінувалися на вагу золота. Заміна кристалів лампами значно спростила роботу радистів.
Низька надійність роботи радіоприладів із великою кількістю вакуумних електронних ламп на початку 20-х років XX ст. змусила згадати, що кристалічний детектор, подібний углесталістому детектору А.С. Попова, володіє не менш широкими можливостями, ніж електронна лампа. У 1922 р. співробітник Нижегородської радіолабораторії О.В. Лосєв виявив можливість отримання незатухаючих коливань за допомогою напівпровідникового кристалічного діода. Свій прилад Лосєв назвав крістодіном. На його основі вчений створив різні напівпровідникові підсилювачі для радіоприймачів.
Багато хто передрікав, що кристали з часом займуть місце вакуумних ламп. Але в 1920-1930-і рр.. цього не сталося. Лампи задовольняли тодішні запити, поступово розкривалися їх нові достоїнства і можливості.
А напівпровідникові кристали в той час лише почали вивчати, технологи не мали можливості проводити чисті, позбавлені домішок кристали. Багато років фізики досліджували процеси, що протікають в напівпровідниках на рівні мікроструктури, і на основі цих досліджень намагалися пояснювати їх властивості. Виявилося, що так само, як і в ізоляторах, у напівпровідниках всі електрони міцно пов'язані з атомами. Але цей зв'язок не міцна, і при нагріванні або під дією світла деякими електронам вдається вирватися з тяжіння атомів. З появою вільних електронів електрична провідність напівпровідників різко зростає.
На відміну від провідників, носіями струму в напівпровідниках можуть бути не лише електрони, але і «дірки» - місця на орбіті позитивно заряджених частинок - іонів, що утворилися після втрати електрона. Позитивний заряд цих частинок прагне захопити відсутній електрон в одного з сусідніх атомів. Таким чином, «дірка» мандрує напівпровідника, переходячи від атома до атома. Разом з нею подорожує і позитивний заряд, рівний за значенням негативного заряду електрона.
Один і той же напівпровідник може володіти або електронною, або діркової провідністю. Все залежить від хімічного складу введених в нього домішок. Так, невелика добавка в германій домішок, багатих електронами, наприклад миш'яку чи сурми, дозволяє отримати напівпровідник з електронною провідністю, так званий напівпровідник n-типу (від лат. Negativus - негативний). Добавка ж алюмінію, галію або індію призводить до надлишку «дірок» і утворення поверхнями. Такі провідники називаються провідниками р-типу (від лат. Positivus - позитивний).
Розвиток напівпровідників у 20-30-і рр.. минулого століття дозволило створити напівпровідникові прилади, термоелектрогенератори, сегнетоелектричні і фотоелектричні прилади.
У 1929 р. радянський вчений А.Ф. Іоффе висловив думку про можливість отримання за допомогою термоелектричного генератора з напівпровідників електроенергії з ККД у 2,5-4%. Вже в 1940-194.1 рр.. в Радянському Союзі були отримані напівпровідникові термоелементи з ККД в 3%.
У другій половині 20-х рр.. XX ст. були створені тверді випрямлячі змінного струму, що представляли собою окислену мідну пластинку. Пізніше їх стали робити з селену. Серйозним недоліком перших твердих випрямлячів були великі теплові втрати. Використання нових речовин, зокрема германію, дозволило різко їх знизити. Були створені дослідні зразки випрямлячів змінного струму з германію та аналогічних напівпровідникових матеріалів з ККД до 98-99%. Напівпровідникові випрямлячі зручні в експлуатації, оскільки вони мініатюрні і міцні, не вимагають струму розжарення, споживають небагато енергії і довговічні.
Вивчення властивостей кристалів показало, що випрямлення і детектування струму відбувається не на кордоні кристала і металу, а внаслідок утворення на поверхні кристала оксидної плівки. Для випрямлення було необхідно, щоб плівка також володіла напівпровідниковими властивостями. Причому її провідність повинна була відрізнятися від провідності самого кристала: якщо кристал мав п-провідністю, то плівка повинна мати р-провідність - і навпаки. У цьому випадку кристал і плівка утворюють напівпровідниковий вентиль, що пропускає струм тільки в одну сторону.
Поступово вчені навчилися отримувати чисті кристали кремнію та германію, додаючи потім в них потрібні домішки, які створюють необхідний тип провідності.
На початку Другої світової війни для забезпечення прийому і випрямлення сантиметрових хвиль у США для радіолокації стали прим'яти германієві і кремнієві детектори, що володіли великою стійкістю. Незабаром після війни були розроблені напівпровідникові підсилювачі і генератори.
1 липня 1948 в газеті «Нью-Йорк таймі» з'явилася замітка про демонстрацію фірмою «Белл телефон Лабораторіз» приладу під назвою «транзистор». Він представляв собою напівпровідниковий тріод, кілька нагадував по конструкції кристалічні детектори 20-х років. Транзистор створили фізики Дж. Бардін і У. Браттейн. Його пристрій було простим: на поверхні пластинки з германію, з одним загальним електродом-основою, були поміщені два близько розташованих металевих стрижня, один з яких був включений в пропускному, а інший - у запірному напрямі. При цьому платівка мала р-провідністю, а стрижні - n-провідністю. Концентрація випадкових домішок у платівці германію не перевищувала 10'6%.
У 1951 р. У. Шоклі створив перший площинний тріод, в якому контакт між зонами з п-і р-провідністю здійснювався по всій торцевої поверхні кристалів. У нього, як і у точкового транзистора, був попередник. Свого часу радіоаматори, щоб позбутися від необхідності шукати необхідну крапку на кристалічному детекторі, вирішили перейти до площинним контактам, створивши площинний діод. У ньому використовувалися кристали цинкита і халькопіриту. Але він мав малою надійністю, оскільки через погану поверхні окислів випрямлення здійснювалося лише в окремих точках.
У 1956 р. Бардін, Браттейн і Шоклі були удостоєні Нобелівської премії з фізики за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту.
1947 рік. У сучасному розумінні напівпровідникова техніка стала бурхливо розвиватися в середині XX століття. Багато видатні вчені внесли свій внесок у цей напрям, однак творцями першого транзістоа, в 1947 році, стали американці Дж. Бардін, У. Бреттейн і У. Шоклі. Їх відкриття стало початком напівпровідникової ери, яка народила величезна кількість типів діодів і транзисторів, а пізніше - інтегральних мікросхем.
1948-1950 роки. Не тільки в США, але і в інших країнах йшли наукові дослідження в галузі напівпровідників. Так фізик В.Є. Лошкарьов ще в 1946 році відкрив біполярну дифузію нерівноважних носіїв струму в напівпровідниках. Розробка інженером А.В. Красиловим і його групою германієвих діодів для радіолокаційних станцій. Під Фрязіно (Моск. обл.) В НДІ-160 (НДІ «Істок»). А.В. Красиловим і С.Г. Мадоян вперше спостерігався транзисторний ефект. Творці вітчизняного транзистора А.В. Красилів і С.Г. Мадоян опублікували першу в СРСР статтю про транзистори під назвою «Кристалічний тріод». Лабораторні зразки германієвих транзисторів були розроблені Б.М. Вулом, А.В. Ржанова, В.С. Вавілов і ін (ФІАН), В.М. Тучкевічем, Д.М. Наследова (ЛФТИ), С.Г. Калашніковим, Н.А. Пеніни та ін (ІРЕ АН СРСР).
1955 рік. Винахідник транзистора Вільям Шоклі (William Shockley) заснував в Санта-Кларі компанію Shockley Semiconductor Laboratories і залучив до неї 12 молодих вчених, що займалися в різних фірмах германієвих і кремнієвими транзисторами. На жаль колектив проіснував не довго, буквально через два роки 8 вчених покинули компанію.
1956 рік. Вільям Шоклі, Джон Бардін і Волтер Браттейн були удостоєні Нобелівської премії з фізики «за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту». На церемонії презентації Е.Г. Рудберг, член Шведської королівської академії наук, назвав їх досягнення «зразком передбачення, дотепності і наполегливості в досягненні мети».
1957 рік. Вчені, що покинули компанію Shockley Semiconductor Laboratories, об'єднують особисті кошти і приступають до розробки технології масового виробництва кремнієвих транзисторів за методом подвійної дифузії і хімічного травлення. Ця технологія дозволяла одночасно отримувати на одній пластині відразу сотні транзисторів. Імена більшості цих людей стали в подальшому знаковими для електронної галузі: Гордон Мур (Gordon E. Moore), Шелдон Робертс (C. Sheldon Roberts), Євген Клайнер (Eugene Kleiner), Роберт Нойс (Robert N. Noyce), Віктор Грінвіч (Victor H. Grinich), Джуліус Бланк (Julius Blank), Джин Хоерні (Jean A. Hoerni) і Джей Ласт (Jay T. Last). Для серйозної роботи зібраних коштів було зовсім недостатньо і тоді в якості інвестора виступила компанія Fairchild Camera and Instrument і 1 жовтня 1957 року була заснована компанія FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. А вже через півроку FAIRCHILD SEMICONDUCTOR отримала перший прибуток - компанія IBM закупила 100 транзисторів за ціною $ 150 за штуку.
1958 рік. До того часу розробками напівпровідників незалежно займалися кілька компаній. Вчених об'єднував одне питання: «Як у мінімум місця вмістити максимум компонентів?». Роберт Нойс з Fairchild Semiconductor Corporation і Джек Кілбі, що працює в Texas Instruments винайшли практично ідентичну модель інтегральної схеми. Різниця полягала в тому, що Кілби скористався германієм, а Нойс віддав перевагу кремнію.
1959 рік. Роберт Нойс і Джек Кілбі окремо один від одного одержали патенти на свої винаходи - почалося протистояння двох компаній, що закінчилося мирним договором і створенням спільної ліцензії на виробництво чіпів.
60-і роки. Fairchild Semiconductor Corporation пустила чіпи у вільний продаж, їх відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити розмір і збільшити продуктивність. Взагалі, початок 60-х це сильний підйом в напівпровідниковій галузі. Багато інженери та вчені, які стояли біля витоків створення напівпровідників починають засновувати власні фірми. Так Джин Хоерні, Євген Клайнер, Джей Ласт і Шелдон Робертс у 1961 році заснували компанію Amelco, з якої надалі «виросли» Intersil, Maxim і Ixys. У 1967 Чарлі Спорк йде в National Semiconductor. У 1968 році Гордон Мур та Роберт Нойс заснували Intel. У тому ж році Віктор Грінвіч засновує власну компанію Escort Memory Systems.
У СРСР у 1963 році створено Центр мікроелектроніки в м. Зеленограді. Інженер Ф.А. Щиголь розробив планарний транзистор 2Т312 і його бескорпусной аналог 2Т319, що став основним активним елементом гібридних схем. У 1964 році на заводі «Ангстрем» при НДІ точної технології створені перші інтегральні схеми ІС - «Стежка» з 20 елементами на кристалі, що виконують функцію транзисторної логіки з резистивним зв'язками. У НІІМЕ в Зеленограді створена технологія і розпочато випуск перших планарних транзисторів «Площина». Під керівництвом Б.В. Малина в НДІ-35 (нині НДІ «Пульсар») була створена перша серія кремнієвих інтегральних схем ТЗ-100 (ступінь інтеграції - 37 елементів на кристалі). У 1966 році в НДІ «Пульсар» почав працювати перший експериментальний цех з виробництва планарних інтегральних схем. У НІІМЕ під керівництвом доктора наук К.А. Валієва розпочато випуск логічних і лінійних інтегральних схем. У 1968 НДІ «Пульсар» випустив партію перших гібридних тонкоплівкових ІС з планарними безкорпусним транзисторами типів КД910, КД911, КТ318, призначених для телебачення, радіомовлення і зв'язку. У НДІ МЕ розроблені цифрові й лінійні ІС масового застосування (серія 155). У 1969 році фізик Ж.І. Алфьоров сформулював і практично реалізував свої ідеї управління електронними та світловими потоками в класичних гетероструктурах на основі системи арсенід галію-арсенід алюмінію.
70-і роки. Наступне десятиліття відзначилося подальшим зростанням ринку електронних компонентів. Будувалися заводи з виробництва мікросхем, утворювалися нові компанії. Старі компанії поступово перепрофілювалися у відповідності з новими вимогами часу, переходячи від виробництва ламп до виробництва напівпровідників, номенклатура яких постійно розширюється - це аналогові і цифрові мікросхеми, діоди, ВЧ транзистори і тиристори. Так наприклад, кампанія ANALOG DEVICES, почавши в 1965 році зі штатом у 45 осіб, активно розвиваючись, до 1974 року збільшила число співробітників до 894, а в 1979 році стала публічною, випустивши на ринок свої акції. Компанія MOTOROLA, починаючи свій бізнес в 30-х роках з виробництво автомобільних радіоприймачів, в 1974 році випускає на ринок мікроконтроллер MC6800, який на довгі роки стає № 1 в автомобільної та побутової електроніки.
Що стосується СРСР, на жаль не було розвитку в сторно масового виробництва, проте життя на місці не стояла і до початку 1970 року в країні налічувалося 69 серій інтегральних схем, з яких 7 серій - по МОП технології, 32 серії - за біполярною технологією. У 1973 - створені інтегральні схеми для наручних годинників зі ступенем інтеграції 1500 транзисторів на кристал розміром 2x2 мм 2. Під керівництвом Е.Е Іванова на заводі «Ангстрем» за п'ять місяців був розроблений і випущений калькулятор на основі власних БІС, а в 1974 році в науковому центрі на заводі «Ангстрем» під керівництвом В.Л. Дшхуняна створені перші вітчизняні мікропроцесори. У 1975 році організований промисловий випуск цифрових ІС серій 100 і 500 з швидкодією 2 нс для ЕОМ "Ельбрус-2», створена БІС ЗУ динамічного типу ємністю 4 Кбіт.К середині 70-х була досягнута ступінь інтеграції 20 000 транзисторів на кристал, а до кінця десятиліття створена перша однокристальна мікро-ЕОМ, еквівалентна міні-ЕОМ.
70-ті роки були відзначені ще одним знаковою подією. На той час стало очевидно, що при постійному зростанні складності інтегральних схем завдання їх промислової розробки без створення засобів комп'ютерної автоматизації буде просто нереалізована. З'явилися інструменти автоматизації, які зараз об'єднані в рамках EDA (Electronic Design Automation). Спочатку вони були представлені засобами CAE (Computer Aided Engineering) - для розробника принципових схем і засобами CAD (Computer Aided Design) - для інженера-конструктора. Найсерйознішою проблемою для розробників ранніх ІС була відсутність можливості створення фізичної прототипу розроблювального пристрою. Помилки, допущені при проектуванні принципової схеми пристрою, виявлялися тільки після виготовлення інтегральної схеми. При виявленні помилки потрібно було міняти проект, заново створювати комплект фотошаблонів і повторювати весь виробничий цикл. Для вирішення цієї проблеми в 70-і роки в університеті Берклі (Berkeley), який входив до числа лідерів розробки засобів комп'ютерного інжинірингу (CAE), була розроблена програма SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Призначалася вона для моделювання ІС на електричному рівні і дозволяла перевіряти правильність роботи схеми на рівні віртуальної комп'ютерної моделі. Ця програма і до цього дня використовується для моделювання аналогових схем. У міру поширення цифрових схем, для перевірки правильності функціонування стали розробляти і використовувати засоби логічного моделювання. Однією з перших таких програм була система Hi-Lo.
80 роки. Десятиліття 80-х, незважаючи на спад в електронній промисловості США, також відзначені успіхами в цій області. Під керівництвом Гордона Кемпбелла створюється перша 64k (8096х8) EEPROM з єдиним напругою живлення +5 В. 80-і роки стали часом «другої хвилі» у світовій електронній промисловості. Саме тоді з'явилися такі компанії як Cypress, Seeq, Sierra, Maxim, Atmel, Xilinx, Linear Technology «вийшли» здебільшого з компаній «першої хвилі» - NatSemi, Intel, Signetics, AMD.
У Радянському Союзі в 1980 році заводом «Мікрон» виготовлена 100 000 000 інтегральна схема. У 1983 році в НІІМЕ організований промисловий випуск базових матричних кристалів БМК І-200 і БМК І-300 для вітчизняних ЕОМ. У 1984 в НІІТТ був розроблений перший персональний комп'ютер ДВК-1, а на заводі «Ангстрем» він став випускатися серійно. У 1985 році в НІІМЕ отримані тестові зразки кристалів ІС з топологічної нормою 0,5 мкм. з використанням електронно-променевої літографії. У другій половині 80-х років створено перший 32-розрядний мікропроцесор і налагоджено випуск НВІС пам'яті ємністю 1 М.
Що стосується САПР, то на початку 80-х років компанії Daisy, Valid і Mentor Graphics розробили свої системи на базі робочих станцій (Sun, Apollo), в рамках яких об'єднувалися введення принципової схеми, система моделювання та засоби конструкторського проектування. Таким чином, відбулося об'єднання коштів САЕ і CAD. У 1985 році ці фірми з великим успіхом вийшли на світовий ринок. Це і було народженням індустрії EDA.
90 роки. Це десятиліття характеризується подальшим нарощуванням обсягів виробництва напівпровідників, відбувається все більша ступінь інтеграції мікросхем. Бурхливе зростання персональної комп'ютерної техніки призводить до розробок складних спеціалізованих пристроїв. Великі корпорації виводять своє виробництво в Китай і країни Південно-Східної Азії. Зовсім по-іншому йдуть справи в нашій країні. Державне фінансування знизилося до мінімуму. Ряд провідних підприємств електроніки - на межі закриття, інші після акціонування втратили виробничий профіль діяльності. Ефективно працюючі підприємства складають всього декілька відсотків від загальної кількості. До середини 90-х років російська електроніка мала річні обсяги вкладень 150 млн. доларів, а світовий ринок оцінюється в 210 млрд. доларів. У Росії тільки на заводах «Ангстрем» і «Мікрон» в Зеленограді можна робити НВІС з топологічної нормою 1,2 мкм. У 1997 Урядом створена холдингова компанія «Російська електроніка», в яку увійшли 32 підприємства і науково-дослідних інститутів колишньої електронної промисловості. На заводі «Мікрон» введена виробнича лінія з випуску НВІС з проектними нормами 0,8 мкм. на пластинах 150 мм. У НІІМЕ розроблена елементна база БіКМОП ІС на основі самосовмещенной технології. У 1998 році на СП «Корона» розпочато промислове виробництво НВІС на пластинах кремнію діаметром 150 мм з топологічними нормами 0,8 мкм. І мабуть саме чудове подія відбулася на Порого нового тисячоліття. У 2000 році академік Ж.І. Алфьоров удостоєний Нобелівської премії, за дослідження розпочаті ще в 1970 році - за основоположні роботи в галузі інформаційних і комунікаційних технологій, зокрема за відкриття явища суперінжекціі в гетероструктурах, відкриття ідеальних гетероструктур арсенід алюмінію-арсенід галію, створення напівпровідникових лазерів на подвійних гетероструктурах, створення перших біполярних гетеротранзісторов, сонячних батарей на гетероструктурах.
В даний час головує напрямок мікромініатюризації напівпровідникових приладів. Останні досягнення такі: у США, у 2006 році створено транзистор з одиночної молекули вуглецю. І вже в тому ж, 2006 році, вченим з IBM вдалося вперше у світі створити повнофункціональну інтегральну мікросхему на основі вуглецевої нанотрубки, здатну працювати на терагерцевого частотах. Цілком імовірно, що розвиток наноелектроніки буде пов'язано з порівнянною за масштабом оптимізацією, аналогічної зменшення мікроелектронної компонентної бази в 60-і роки минулого століття. Можливо, що на основі інтегрованих наноелектронних чіпів виникне зовсім нова елементна база, яка буде відрізнятися високою компактністю, низьким енергоспоживанням і небаченим раніше швидкодією.
6. Відкриття сегнетоелектриків
У 1920 р. була відкрита спонтанна (мимовільна) поляризація. Спочатку її виявили у кристалів сегнетової солі (NaKC 4 H 4 O 6 · 4H 2 O), а потім і в інших кристалів. Всю цю групу речовин назвали сегнетоелектрики (або ферроелектрікі). Детальне дослідження діелектричних властивостей цих речовин було проведено в 1930-1934 рр.. І.В. Курчатовим в ленінградському фізичному технікумі. Всі сегнетоелектрики виявляють різку анізотропію властивостей (сегнетоелектричні властивості можуть спостерігатися тільки уздовж однієї з осей кристала). У ізотропних діелектриків поляризація всіх молекул однакова, у анізотропних - поляризація, і отже, вектор поляризації в різних напрямках різні. В даний час відомо кілька сотень сегнетоелектриків.
7. Відкриття п'єзоелектриків
У 1756 р. російський академік Ф. Епінус виявив, що при нагріванні кристала турмаліну на його гранях з'являються електричні заряди. Надалі цього явища було присвоєно найменування піроелектричного ефекту. Ф. Епінус припускав, що причиною електричних явищ, які спостерігаються при зміні температури, є нерівномірний нагрів двох поверхонь, що призводить до появи в кристалі механічних напружень. Одночасно він вказав, що сталість у розподілі полюсів на певних кінцях кристала залежить від його структури і складу, таким чином, Ф. Епінус підійшов впритул до відкриття п'єзоелектричного ефекту. П'єзоелектричний ефект в кристалах був виявлений в 1880 р. братами П. і Ж. Кюрі, спостерігали виникнення на поверхні пластинок, вирізаних при певній орієнтування з кристала кварцу, електростатичних зарядів під дією механічних напруг. Ці заряди пропорційні механічної напруги, змінюють знак разом з ним і зникають після його зняття. Освіта електростатичних зарядів на поверхні діелектрика і виникнення електричної поляризації всередині нього в результаті впливу механічного напруги називають прямим п'єзоелектричним ефектом. Поряд з прямим існує зворотний п'єзоелектричний ефект, що полягають в тому, що в пластині, вирізаної з п'єзоелектричного кристала, виникає механічна деформація під дією прикладеної до неї електричного поля; причому величина механічної деформації пропорційна напруженості електричного поля. Зворотний п'єзоелектричний ефект не слід змішувати з явищем електрострикції, тобто з деформацією діелектрика під дією електричного поля. При електрострикції між деформацією і полем існує квадратична залежність, а при п'єзоефекті - лінійна. Крім того, Електрострикція виникає у діелектрика будь-якої структури і відбувається навіть в рідинах і газах.
8. Застосування напівпровідників
Надійно працюють площинні напівпровідникові діоди і тріоди були створені тільки після вивчення властивостей напівпровідникових кристалів і оволодіння технологією виготовлення надчистих матеріалів.
Перевагою площинних контактів в порівнянні з точковими є їх здатність пропускати сильніший струм. Але при цьому вони мають значно більшу паразитне ємність, шкоду якої зростає з підвищенням частоти сигналів.
Тому площинні діоди і тріоди застосовуються для обробки й посилення низькочастотних сигналів, а точкові, звані також кристалічними детекторами, для детектування слабких сигналів високих і надвисоких частот.
Область застосування напівпровідників не обмежувалася радіотехнікою. Ще в 1932 р. А.Ф. Іоффе створив із закису міді, а потім з селену фотоелементи, що виробляли при їх висвітленні електричний струм без допомоги зовнішніх джерел енергії. Проте їх ККД при використанні сонячної енергії не перевищував 0,05-0,1%. Але вже перед Великою Вітчизняною війною в СРСР були створені фотоелементи з сірчистого талію і сірчистого срібла з ККД до 1%.
У 1954 р. був створений кремнієвий фотоелемент. У цьому ж році вперше була побудована сонячна батарея, яка складалася з великого числа кремнієвих фотоелементів. На початку 1955 р. були створені фотоелементи з ККД до 6%. Сучасні фотоелементи мають ККД до 20% і вище.
Маючи в своєму розпорядженні напівпровідниковий діод поруч з радіоактивним матеріалом, отримують атомну батарею, яка може виробляти електричну енергію протягом багатьох років.
На основі напівпровідників були створені фотодіоди. У поєднанні з електричними лічильниками вони ведуть облік рухомих об'єктів - від вироблених деталей до пасажирів в метро. Прилади, створені із застосуванням фотодіодів, можуть визначати браковані вироби на конвеєрі і вимикати обладнання, якщо в його небезпечну зону потрапляють руки робітників.
Створення приладів на основі напівпровідників зробило в середині XX ст. технічну революцію. Подальший їх розвиток привів до створення інтегральних мікросхем, появи нових поколінь електронно-обчислювальних машин і персональних комп'ютерів. Зараз жодна галузь науки і техніки не обходиться без їх застосування.
9. Фізика напівпровідників та нанотехнології
Шановні колеги! Останнім часом у нас в країні і в усьому світі дуже велика увага приділяється питанням нанотехнології, наноструктур, нанофізики, нанохімії і навіть, як кажуть, нанонауки. Я думаю, що всі роботи, які ведуться в області наноструктур, а також розвиток цих досліджень пов'язані, перш за все, з тим, що перехід до дуже малим розмірам сприяє виникненню цілого ряду абсолютно нових фізичних явищ, які, у свою чергу, тягнуть за собою дуже важливі фізичні та технологічні зміни. У фізиці напівпровідників цей процес, можливо, почався навіть раніше, ніж в інших областях.
Можна сказати, що розвиток напівпровідникової електроніки на основі кремнієвих інтегральних схем з фізичної точки зору, - це, по суті, те ж, що було зроблено в кінці 40-х - початку 50-х рр..: Оскільки її основою є польовий і біполярний транзистор, і всі головні фізичні явища - це ті, що були вивчені і досліджені вже тоді. Разом з тим, сталися гігантські, драматичні зміни, і пов'язані вони з зменшенням розмірів, а також з що виконується до цих пір законом Мура. Тим не менш, технологія і техніка літографії підійшла сьогодні до головного топологическому розміром інтегральних схем, обчислюваному 45-60 нанометрів. Тому вже багато років говориться про те, що настануть принципові зміни, коли подальше зменшення топологічного розміру стане неможливим.
Але насправді процес як і раніше йде. Але я хотів би зупинитися на іншому надзвичайно важливому напрямку в розвитку сучасної напівпровідникової електроніки та фізики. Це напрямок, пов'язаний з використанням напівпровідникових гетероструктур, які, до речі сказати, сьогодні дуже активно використовуються і у вирішенні проблем кремнієвих інтегральних схем ультрамалих розмірів, особливо що стосується вирішення принципової проблеми місць з'єднань. У галузі фізики напівпровідникових гетероструктур нанотехнологія і основні фізичні явища, пов'язані з появою малих розмірів, а також принципово нових властивостей, були відкриті більш трьох десятків років тому.
Один з наших колег, чудовий японський фізик Ліо Ісак вніс у розвиток цієї галузі фізики величезний конкретний внесок. Варто зауважити, що так звані напівпровідникові надгратки вперше були запропоновані у 62 р. (перша публікація в цій області належить Л. В. Келдишу: на жаль, він представив практично неефективний спосіб отримання надграток шляхом прикладання сильних ультразвукових полів до поверхні кристалів). У 70 р. Ліо Ісак створював перші напівпровідникові решітки, використовуючи вже напівпровідникові гетероструктури. Японський вчений дав, з моєї точки зору, блискуче визначення, яке, я думаю, надзвичайно чітко відображає сутність використання нанотехнології, наноструктур в цілому: він сказав про напівпровідникових гетероструктурах, що це «man made crystals», на відміну від «God made crystals» . Тобто це кристали, зроблені людиною, на відміну від кристалів, зроблених Богом, бо будь-які штучні кристали, одержувані в лабораторії, - це, в кінцевому рахунку, і германій, і кремній, і напівпровідникові з'єднання А3Б5, А2Б6, і багато інших. Це кристали, зроблені Богом, тому що незалежно від того, чи отримані вони в лабораторії, чи отримані вони в природі, - їх властивості визначені.
Що стосується напівпровідникових гетероструктур: коли ви, в тому числі і на дуже малих розмірах, міняєте хімічні властивості, склад, а також принципово змінюєте масу властивостей, включаючи і енергетичний спектр електронів, ви створюєте матеріали, яких у природі не існує, що Бог - за тих чи інших причин - не здогадався створити. І в цих кристалах, в цих матеріалах ви принципово отримуєте абсолютно нові властивості. Це стало, взагалі кажучи, реальністю вже в самому кінці 70-х і навіть в кінці 60-х рр.., Коли були отримані перші ідеальні гетероструктури арсенід галію і арсенід алюмінію в нашій лабораторії - і цей напрямок став бурхливо розвиватися.
Але потім, я думаю, відбулася надзвичайно важлива річ: коли ми у цих розмірах при дослідженнях напівпровідникових гетероструктур підійшли до розмірів, порівнянних з довжиною хвилі електрона, тоді з'явилася маса нових властивостей. Квантово-розмірні явища стали визначати властивості цих, зроблених людиною, кристалів. І стало можливим існування тих кристалів, які отримали назву «квантові ями», «квантові дроту», а в останні десятиліття - «квантові точки». Виникла нова фізика низьковимірних електронних систем, включаючи квантові точки нуль-розмірних електронних систем.
Я хотів би підкреслити, що практично всі досягнення фізики напівпровідників, які мають відношення до розвитку наноструктур ультрамалих розмірів, пов'язані, перш за все, з розвитком технології. Я думаю, що це надзвичайно важливо для всього розуміння розвитку мікроелектроніки, електронних технологій, інформаційних технологій в цілому в другій половині XX ст. Розвиток фізичних досліджень стало можливим по-справжньому лише після того, як технологія отримання напівпровідникових кристалів і матеріалів вийшла на зовсім інший рівень.
Оскільки я виріс у Фізико-технічному інституті ім. А.І. Іоффе, де проведення систематичних напівпровідникових досліджень було розпочато в кінці 20-х - початку 30-х рр.., Я прекрасно знаю, як на самому початку 50-х рр.. ставилися до нас, «полупроводніковцам», фізики-ядерники, представники інших напрямів. Я пам'ятаю, як Анатолій Петрович Александров, коли він просив мене зробити напівпровідниковий пристрій для першої радянської атомної човни, говорив: «Жорес, а вони працювати-то будуть?» Адже вважалося, що це напівпровідникова «кухня» і один зразок може сильно відрізнятися від іншого.
Ситуація кардинально змінилася після відкриття транзисторів і розвитку германієвої та кремнієвої технології. І вже зовсім іншою вона була тоді, коли ми розвивали дослідження в галузі фізики напівпровідникових гетероструктур. Практично всі, в тому числі й найбільші фізичні досягнення, пов'язані з розвитком технології.
Якщо говорити про розвиток нанотехнології в цій галузі, то вона пов'язана, перш за все, з розробкою трьох методів епітаксійного вирощування напівпровідникових структур. Це перший, порівняно дешевий спосіб, за допомогою якого вдалося досягти основних принципових результатів, в тому числі отримати наноструктури з розмірами шарів, що обчислюються одиницями нанометрів. Це технологія так званої рідинної епітаксії, кристалізації напівпровідникових структур з розчинів розплавів. Хімічний склад розчинів розплавів задається дуже просто, а процес кристалізації є по-справжньому делікатним процесом, в якому при дуже точному регулюванні температур, з використанням, в тому числі, і нерівноважних термодинамічних процесів, вдавалося отримувати структури з такими розмірами шарів.
Але звичайно, майбутнє пов'язане з двома технологічними методами. По-перше, методу молекулярної епітаксії, в розвиток якого багато було вкладено і Новосибірським інститутом фізики напівпровідників. І цей інститут до цього дня є одним з потужних центрів розвитку цієї технології, визнаних у світі, а також технології, що стала основою промислового виробництва дуже багатьох приладів, систем, масового виробництва світлодіодів (скажімо, масштаби світлодіодів сьогодні, в тому числі і для освітлення, визначаються вже розмірами продажів, які наближаються до 10 млрд доларів). Потужна гілку напівпровідникової індустрії, яка буде рости усе далі і далі і зіграє, за оцінками експертів, до 2030 р. важливу роль у зміні приблизно 50% освітлення на лампах на світлодіодах, на наноструктурах, на наногетероструктурах і заощадить приблизно 10% електроенергії в світі. Основа цього - сонячні батареї на гетероструктурах, і вже підраховано, що до 2030 р. сумарна потужність наземних електричних станцій складе близько 200 гігават, що помітно перевищує сумарну потужність електростанцій Росії на сьогоднішній день. І тут істотну роль грає знову ж технологія мосгідрідной епітаксії, і цей метод став основою індустріального виробництва дуже багатьох матеріалів.
Я б хотів підкреслити, що поряд з розвитком реальної нанотехнології і великомасштабним виробництвом тільки на основі напівпровідникових гетероструктур, обсяги продажів всіх матеріалів сьогодні становлять десятки мільярдів доларів, а вплив цієї технології в цілому на розвиток мікроелектроніки та електронних технологій можна назвати гігантським.
Зазначу ще й наступну річ: цінність цих напрямків полягає, перш за все, в нових фізичних явищах. Наприклад, така річ, як низькорозмірні електронні системи, стали масовими і в промисловому виробництві, і у фізичних дослідженнях. І якщо, скажімо, на початку 70-х рр.. наші доповіді на міжнародних конференціях були одиничними, то сьогодні дві третини (навіть три чверті) доповідей на напівпровідникових фізичних конференціях - це доповіді, присвячені наногетероструктурах, фізики електронних систем з низькорозмірних електронним газом. І серед нових фізичних явищ, якими фізика збагатилася за ці десятиліття, я б у першу чергу назвав одне з унікальних відкриттів другої половини XX ст. Це відкриття дробового квантового хол-ефекту, зроблене Штормером і Цуї і теоретично пояснене Лохліном, що стало можливим тільки завдяки наногетероструктурах, «квантовим ям» високого досконалості, в яких електронний газ можна було отримати з унікально високими подвижностями. Відкриття цього явища при низьких температурах в надсильних магнітних полях призвело до того, що пояснити його виявилося можливим, лише припустивши, що у квантової рідини існують властивості, які не існують для окремо взятих частинок.
Голова комітету з фізики, який представляв цю роботу, відзначену Нобелівською премією в 98 р., підкреслив, що в ній не дотримується правило Ландау. Справа в тому, що один з принципів Ландау такий: якщо ви знаєте властивості частинок, то на підставі знання цих властивостей ви можете описати і властивості ансамблю. Голова комітету з фізики сформулював цей принцип так: 1 +1 = 2. Але іноді це просте арифметичне правило не виконується. У фізиці це, як правило, веде до Нобелівських премій. Це сталося і з дробовим квантовим хол-ефектом, бо виявилося, що властивості квантової рідини можна пояснити, лише припустивши, що дробові квантові заряди у часток, у електронів, яких реально у кожного електрона немає, є у ансамблю (Лохлін 4 роки тому говорив про це у своїй лекції під назвою «Кінець редукціонізму», яку він читав у нас в Петербурзі). І це явище, з моєї точки зору, знакова: дробовий квантовий хол-ефект, відкритий в 82 р., і пішли за ним дослідження показують, що насправді і сьогодні в нашій фізиці є явище, яке ми не можемо пояснити. Це наступний крок і дуже яскрава демонстрація фізики наноструктур. Разом з тим, це яскрава демонстрація успіхів нанотехнології.
Я добре знаю Штормера, і Цуї, і Лохліна і пам'ятаю, як Штормер завжди пишався не тільки тим, що він відкрив дробовий квантовий хол-ефект, але і тим, що він є автором так званого модуляційного лігування гетероструктур, яке дозволило отримувати квантові наногетероструктурах з дуже високою рухливістю. І це приклад розвитку нанотехнології, яка призвела до драматичних, дуже яскравим новим фізичним явищам і виявилася можливою тільки завдяки розвитку фізики і технології гетероструктур «men make crystals».
Сьогодні ми дуже багато чого чекаємо від нанотехнології, дуже багато говоримо про це (зокрема, в посланні президента Федеральним зборам говорилося про це). Насправді вже з кінця 90-х рр.. гасло «Нанотехнології» в США і в ряді інших країн став використовуватися для того, щоб отримувати великі кошти від урядів і держав. І я думаю, надзвичайно важливо ті кошти, які будуть виділятися у нас, використовувати для розвитку наукових досліджень технології, діагностики в цілому. І дуже важливо при цьому розуміти, що конкретні нові явища ми часто не можемо передбачити, тому потрібно надати дуже багатьом лабораторіям країни можливість працювати з досконалими системами молекулярної мосгідрідной епітаксії, а також використовувати найсучасніші діагностичні засоби - тоді, я думаю, у нас, безумовно , з'явиться маса нових результатів, і в цьому, з моєї точки зору, величезну роль грає міжнародне наукове співробітництво.
У нас в Росії і в Радянському Союзі подібні традиції існували завжди. На мій погляд, такий стан справ буде зберігатися і далі, і в цій області нас чекають цінні несподівані відкриття. Ви розумієте, що в дуже короткому п'ятнадцятихвилинної виступі я не можу розповідати детально про одну з найцікавіших галузей фізики та технології напівпровідників, якою я особисто займаюся з 62 р. (вже 45 років). Хотів би підкреслити у сьогоднішній доповіді, присвяченому 50-річчя одного з найбільш чудових наукових центрів світу - Сибірського відділення Російської академії наук, - що дослідження фізики напівпровідникових гетероструктур ми ведемо спільно починаючи з 64 р. Тому цей центр треба дуже високо цінувати.
Я боюся, що у мене не буде можливості так довго говорити про ювілей Сибірського відділення ... Я дуже радий бути тут вже вдруге в цьому році і хотів би сказати, що Сибірське відділення, ювілей якого ми відзначаємо, у світовому рейтингу наукових організацій стоїть на першому місці серед всіх наукових організацій Росії і обганяє всю Російську академію наук на 40 номерів! Вітаю Сибірське відділення! (Оплески)
Висновок
Нобелівський лауреат Ж. Алфьоров зазначив, що в XX столітті відбулося три основних відкриття: штучний поділ урану, транзистори, лазери. Серед найбільш значимим для людства є поява транзистора на напівпровідниках і подальше за цим створення і розвиток мікро-і оптоелектроніки - основи сучасної техніки зв'язку та інформатики.
Фізика напівпровідників розвивалася протягом XIX - XX століть напівпровідникові діоди прийшли на зміну вакуумним лампам, були винайдені на основі напівпровідників фотодіоди, фотоелементи, інтегральні мікросхеми, а отже це призвело до розвитку ЕОМ і ПК.
Протягом двох століть такі вчення як Деві, Беккер, Пірс, Столєтов, Іоффе, Бардін, Браттейн, Шоклі, Алфьоров внесли величезний внесок у розвиток фізики напівпровідників.
На даний момент вирішуються проблеми фізики напівпровідників гетроструктури в напівпровідниках, квантові ями і точки, заряди, спінові хвилі, мезоскопія.
Список літератури
1. Калашников С.Г. Електрика: Навч. Посібник. - 6-е вид., Стереотипами. - М.: ФІЗМАЛІТ, 2004
2. В.І. Фістули. Введення в фізику напівпровідників. М. Вища школа, 1984.
3. Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. - М.: Наука, 1979
4. Сонін А.С. Введення в сегнетоелектрики. - М.: Наука, 1970
5. http://myrt.ru/history/print:page, 1,981 - Poluprovodniki.html
6. http://gete.ru/post_1172774080.html
7. Виноградов Ю.В. «Основи електронної та напівпровідникової техніки». Вид. 2-е, доп. М., «Енергія», 1972 р. - 536 с.