Полупроводники

Полупроводники. История

В 1833 году английский физик экспериментатор Майкл Фарадей в своей работе «Экспериментальные исследования по электричеству» описал необычную температурную зависимость электрической проводимости сульфида серебра, которая увеличивалась при повышении температуры, в то время как проводимость металлов при нагреве уменьшалась. К 1838 году Фарадей открыл ещё 5 веществ с подобными свойствами. Позднее такие вещества назовут «полупроводниками».

Через много лет Антуан Анри Беккерель заметил, что некоторые материалы меняют электропроводность под воздействием света.

В 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил, что некоторые вещества изменяют электрическое сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Это открытие привело к разработке технологии «выпрямления», то есть преобразования переменного тока в постоянный — именно такой механизм лежит в основании радиотехники. Примерно в то же время Артур Шустер сообщил о схожих результатах исследований контакта между проводами из чистой и окисленной меди — последняя здесь действует как полупроводник.

По сути, четыре эти открытия описывают основные свойства полупроводников. Но сущность этих свойств осталась для физиков XIX века загадкой — тогдашняя наука была не способна объяснить их. Исследовать полупроводники удалось лишь в 1920-1940-х годах, когда ученые смогли объяснить их устройство материалов на атомарном уровне.

Электроника, то есть совокупность технологий, позволяющих использовать электрический ток для вычислений и обработки информации, появилась еще в 1930-х годах. До середины 1950-х основным компонентом электронного оборудования были вакуумные лампы. Именно их использовали первые компьютеры, созданные в годы Второй Мировой войны для военных целей.

Главным недостатком вакуумных ламп была чрезвычайная громоздкость. Вакуумная лампа примерно такого же размера, как лампочка накаливания. А транзистор, который выполняет ту же роль, крошечный: первая в истории серийная интегральная микросхема Intel 4004 была выпущена в 1971 году. Ламповые компьютеры занимали по несколько комнат, но действовали очень медленно. Кроме того, лампы потребляли гигантские объемы энергии и выделяли огромное количество тепла.

Транзисторы и прочие полупроводниковые устройства изменили электронику, а вслед за ней и весь мир.

Полупроводники. Основы

Полупроводник — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников (металлов) сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 5.47 эВ), а арсенид индия - к узкозонным (0.35 эВ). Запрещённая зона это область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия, нитрид галлия, сплав КРТ (кадмий-ртуть-теллур), теллурид кадмия, теллурид висмута, и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере — фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает.

В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами) и электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома ( 1.76 \cdot 10^{-19} Дж против 11.2 \cdot 10^{-19} Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0.04 \cdot 10^{-19} Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1.5-2 эВ.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.