Первые полупроводниковые приборы

Первые полупроводниковые приборы

Опубликовано в номере:
PDF версия
Первыми в начале ХХ в. появились полупроводниковые диоды, что привело к созданию детекторных приемников, СВЧ-узлов радиолокаторов и твердотельных выпрямителей еще до войны.
Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

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 [2, 3]. 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) [2, 3]. Позднее изобретение этого устройства, названного «кошачьим усом», породило эпоху детекторных приемников.

Контакт Брауна

Рис. 1. Контакт Брауна

Тем не менее действие этого необычного контакта стало понятным лишь много позже, когда немецкий физик Вальтер Шоттки (Walter Schottky) из компании Siemens, создавший электронную лампу тетрод, разработал в 1938 г. теорию перехода металл-полупроводник (M-S junction) [2, 3, 4]. К тому времени уже было известно, что чистый полупроводник в обычных условиях является изолятором, все атомы которого электрически нейтральны. Однако при нагреве, давлении, облучении или введении примесей в нем появляются свободные электроны, а также отрицательно или положительно заряженные ионы. Отрицательным ионом считается атом с дополнительным электроном, а положительный ион — это атом, потерявший один электрон, называемый дыркой, которая обусловливает дырочную проводимость (в отличие от электронной, вызванной свободными электронами). Полупроводник становится проводником, когда число свободных электронов превышает число дырок (полупроводник n-типа) или, наоборот, преобладает число дырок (полупроводник p-типа).

 

Согласно Шоттки эффект выпрямления имеет место только в контакте с полупроводником n-типа, к которым относится и гален [5]. На рис. 2 (1) — свободные электроны, (2) — дырки, (3) — негативные ионы, (4) — позитивные ионы.

Переход M-S

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 [1].

Детектор Боса

Рис. 3. Детектор Боса

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) [2, 3, 6, 7]. 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).

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) [8, 9, 10].

Приемник Пикарда

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).

Детектор Пикарда

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).

«Кошачий ус»

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 [8, 11]. 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) [4, 9, 11, 12].

Олег Владимирович Лосев (1903–1942)

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.

 Генератор Лосева

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 [12].

Характеристика детектора Лосева

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) [2, 3, 9]. 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 [5].

p-n-переход

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 бо́льшую площадь перехода и, соответственно, гораздо больший выпрямляемый ток, однако и бо́льшую 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) [13]. 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).
Литература
  1. Микеров А. Г. Изобретение электровакуумного диода // Control Engineering Россия. 2019. № 1 (79).
  2. djena.engineering.cornell.edu/hws/history_of_semiconductors.pdf.
  3. en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor.
  4. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций. На пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М: Либроком. 2012.
  5. physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor-diodes.
  6. en.wikisource.org/wiki/US_Patent_755,840_A_(Bose%27s_Wireless_Detector).
  7. revolvy.com/page/Jagadish-Chandra-Bose. /ссылка утеряна/
  8. Пестриков В. М. Привилегия №6066 на приемник депеш // IT news. № 6 (55).
  9. Lee T. The (Pre-) History of the Integrated Circuit: A Random Walk // IEEE SSCS NEWS. V.12. N2. Spring 2007.
  10. patents.google.com/patent/US836531.
  11. en.wikipedia.org/wiki/Crystal_radio.
  12. Оглавление базы знаний об О. В. Лосеве. www.alterozoom.com/documents/32394.html.
  13. en.wikipedia.org/wiki/Charles_Fritts.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.