Николай Глухов - Беседы о физике и технике

Были известны и такие материалы, которые по своим свойствам не подходили ни к той, ни к другой категории. Их назвали полупроводниками , хотя с таким же успехом могли назвать и полуизоляторами. Подобными свойствами обладают чистые элементы: кремний, селен, германий, теллур. Такие же свойства имеют оксиды и сплавы некоторых металлов.

Свойства полупроводников были известны давно. Но ни электротехника, ни электроника долгое время не проявляли к ним интереса.

РАССКАЖИТЕ О ПЕРВЫХ ПРИМЕНЕНИЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Сначала нашли себе применение некоторые оксиды, в частности два кристалла: цинкит и халькопирит. Было обнаружено (1874), что эти кристаллы обладают чудесным качеством — они могут выпрямлять переменный электрический ток.

В самых первых радиоприемниках для детектирования использовали настоящие полупроводники. Так, А.С.Поповым в 1895 г. был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. Однако объяснить, почему только отдельные точки кристалла могли выделять звуковые сигналы и вообще почему эти кристаллы детектировали сигналы, долгое время не удавалось.

В этот период успешно развивалась техника электровакуумных приборов, которые позволяли выпрямлять и усиливать электрические сигналы.

Очень долго ламповые диоды и триоды удовлетворяли запросы всех областей техники. Но по мере перехода в высокочастотный диапазон так называемая паразитная емкость, существующая между катодом и анодом и другими составными элементами вакуумных ламп, оказывала все большее и большее влияние на их работу. Вот тут и вспомнили о кристаллах.

Впрочем, был еще один эпизод, когда кристаллы нашли практическое применение. В 1922 г. сотрудник Нижегородской лаборатории Бонч-Бруевича О. В. Лосев впервые в истории электроники получил усиление без применения ламп. Основой прибора, который Лосев назвал кристодином, был полупроводниковый кристалл.

Американский журнал «Радио Ньюс» и другие называли кристодин «изобретением, делающим эпоху», и предрекали, что кристаллы со временем займут место вакуумных ламп.

Но в те годы этого не случилось. Электронная лампа удовлетворяла запросы, период расцвета вакуумной техники еще только начинался.

Что касается полупроводниковых кристаллов, то наука в то время только приступала к изучению их структуры, а техника еще не могла создать для нужд электроники чистые, лишенные примесей кристаллы.

СНАЧАЛА СТАЛИ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ?

В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные высококачественные и сверхвысококачественные германиевые и кремниевые диоды . Это позволило значительно повысить качество работы радиолокационных станций. В 1942 г. в СССР был начат выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовали для питания переносных радиостанций партизанских отрядов.

Создание и производство этих и многих других приборов стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе, а также учеными Ториката и Йокояма (Япония), К.Брауном (Германия) и Иклзом (Англия). Физики уже понимали, что в кристаллах можно создать ток разной природы: либо поток отрицательных электронов, либо движение «положительных зарядов».

Техники научились получать чистые кристаллы кремния и германия, а затем добавлять в них нужные примеси, создающие n - и р -проводимости.

Чтобы представить себе, чего стоила эта победа, достаточно привести следующие цифры: в кристаллах, употребляемых для создания полупроводниковых приборов, допускается лишь один атом примесей на один миллиард атомов германия или один атом примесей на 1000 миллиардов атомов кремния!

ПОТОМ ПРИШЛА ОЧЕРЕДЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА?

Первый полупроводниковый триод был создан в 1948 г. американскими учеными Д. Бардином и В. Браттейном. В кристалл германия, обладающий n -проводимостью, были впаяны два точечных контакта с р -проводимостью. Впоследствии такие триоды получили название точечных . Первый образец плоскостного триода был создан В. Шокли в 1951 г. (рис. 36).

Рис. 36. Плоскостной ( а) и точечный ( б) полупроводниковые триоды

Мир оценил значение этих открытий. Нобелевская премия, выданная создателям первых полупроводниковых триодов, ознаменовала этот важный этап. В 50-х годах были разработаны разнообразные типы транзисторов, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, тиристоров, фотодиодов, кремниевых фотоэлементов, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время трудно представить жизнь современного человека без телевидения, радио. В телевизорах, радиоприемниках, магнитофонах и других бытовых приборах нашли широкое применение полупроводниковые приборы.

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ ФОТОДИОДЫ?

Полупроводниковый диод нашел себе применение во множестве областей. Так, фотодиоды используют для преобразования световой энергии в электрический ток. На многих установках и обрабатывающих станках стоят фотодиоды, обеспечивающие безопасность рабочего: стоит лишь по рассеянности протянуть руку в опасную зону, как световой луч прерывается и сигнал фотодиода мгновенно останавливает станок.

Фотодиоды в сочетании с электрическими счетчиками ведут учет изготовленной продукции или количества пассажиров в метро. Они могут вести контроль за некоторыми параметрами изготовляемой продукции. С помощью полупроводниковой техники в настоящее время электроэнергию можно получать непосредственно из различных форм лучистой энергии — радиоактивной или тепловой. Солнечные батареи очень удобны для спутников: в космосе никогда не бывает пасмурно. Если полупроводниковый диод расположить рядом с радиоактивными материалом, получим атомную батарею, которая способна давать электрическую энергию в течение многих лет.

НЕТ ТАКОГО МЕСТА, ГДЕ НЕ ИСПОЛЬЗУЮТ ПОЛУПРОПРОВОДНИКИ?

До изобретения полупроводникового триода физика твердого тела была главным образом теоретической университетской наукой и являлась областью исследований специализированных институтов и лабораторий. На примере стремительного развития исследований полупроводников видно, как могут взаимно обогатить друг друга «чистая» наука и практические разработки. Областей применения полупроводников существует сейчас так много, что даже простой перечень их занял бы много страниц.