Развитие исследований полупроводников

С чего начинает юный радиолюбитель? С детекторного приемника.
Предельно прост этот удивительный аппарат. Проволочная катушка, невзрачный камешек детектора, наушники. Вот и вся премудрость. А какая сказочная сила воплощена в соединении нехитрых деталей!

Расспросите людей старшего поколения, которые своими руками делали первые детекторные приемники. Они скажут: пожалуй, в наши дни новенький телевизор вызывает меньше радости, чем те деревянные ящички.

Вот собранный приемник торжественно водружен на столе. Его создатель залезает на крышу и протягивает длинную, метров в тридцать — сорок, антенну. Идущий от нее провод он подключает к приемнику и некоторое время возится с детектором. Упираясь концом упругой пружинки в серебристый кристаллик, помещенный в стеклянной трубочке, надо нащупать на нем чувствительную точку. И как только это удается, совершается долгожданное
«волшебство»: в наушниках звучит музыка или речь.

Кристаллик детектора — это, пожалуй, самый первый полупроводник, нашедший широкое практическое применение.

В ту пору, когда появились первые детекторы, они были еще очень несовершенны. Подчас больших трудов стоило найти чувствительную точку.
Пружинка с нее то и дело соскакивала. Приходилось снова и снова налаживать приемник. Много изобретательности приложили инженеры, чтобы улучшить детектор.

Рождение полупроводникового диода.

Важными явились работы немецкого физика К.Ф. Брауна по исследованию проводимости целого ряда полупроводников, сернистого цинка, перекиси свинца, карборунда и других, проведенные в течении 1906 г. В результате исследований была обнаружена односторонняя проводимость полупроводников.
Это послужило толчком к созданию кристаллического детектора только не К.Ф.
Брауном, а американским генералом Х.Дамвуди (H.H.Dunwody) в том же 1906 г.

Нобелевская речь К.Ф.Брауна называлась “Мои работы по беспроволочной телеграфии и электрооптике”. Впоследствии она была издана отдельной книгой в России, в Одессе в 1910г.

На некоторое время кристаллический детектор уступил свое место в радиоприемнике электронной лампе. Двухэлектродная лампа, используемая для преобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой) частоты, в радиоприемной и измерительной аппаратуре носит название диод-детектор.
Широкое внедрение в радиотехнику электронных ламп не остановило исследований по совершенствованию кристаллических детекторов.

В 1919 году совершенствованием детектора увлекся молодой радиолюбитель
Олег Владимирович Лосев. Мечтая посвятить жизнь радиотехнике, он начал с того, что еще совсем юным поступил рассыльным на первую в нашей стране
Нижегородскую радиолабораторию. Здесь заметили любознательного и талантливого юношу. Сотрудники лаборатории помогли ему пополнить образование, и вскоре Лосев приступил к самостоятельной научной работе.

В феврале 1922 г. 19-летний научный сотрудник Нижегородской лаборатории Олег Лосев результате целенаправленного исследования обнаружил короткий подающий участок вольтамперной характеристики кристаллического детектора, используя который, можно приводить к самовозбуждению колебательный контур. Он сконструировал радиоприемник с генерирующим кристаллом, названный 'Кристадином', что означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемника использовалось пара 'цинкит - угольная нить', на которую подавалось постоянное напряжение порядка 10В. Он установил, что основным условием генерирования и усиления такой пары есть отрицательное сопротивление контактной пары детектора. Позже вместо цинкита стали использовать галенит. Для того времени открытие Лосева было очень важным. Ведь обычный детекторный приемник давал возможность слушать лишь близкие станции. Дальний прием, особенно в городах, где много помех и трудно устроить высокую и длинную антенну, оказывался практически невозможным.

Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, не требуя за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странах радиолюбители принялись строить приемники по его схемам.

9 марта 1927 г. О. Лосев сообщил о результатах исследований детекторной пары «карборунд - стальная игла». Он обнаружил слабое свечение на стыке исследуемой поры разнородных материалов при прохождении через нее тока.

Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являются важнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов и излучателей инфракрасного света. Только после освоения производство полупроводников началось использование эффекта свечения О.Лосева.

Прошло более 30 лет, прежде чем кристаллический детектор вернулся на свое место. За это время были выяснены принципы работы полупроводников и наложено их производство. Сейчас промышленность выпускает большой ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации они носят название полупроводниковых точечных диодов. При их изготовлении используют метод электрической формовки, т.е. мощные кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, о кончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта образуется маленький полусферический р-п-переход. Такие диоды имеют устойчивые электрические параметры.

Так как в настоящее время ламповые диоды используются очень редко и наибольшее распространение получили полупроводники, то полупроводниковые диоды называют просто диодами. Сравнение вольтамперных характеристик вакуумного и полупроводникового диодов показывает, что в области прямого напряжения характеристика полупроводникового диода напоминает ламповую.
Разница лишь в том, что один и тот же ток для полупроводникового диода получается при значительно меньших напряжениях. Это и является преимуществом полупроводниковых диодов при использовании их в выпрямителях.
Недостаток полупроводникового диода - наличие обратного тока, хотя и небольшого по сравнению с прямым током. Диоды, используемые в схемах выпрямления, называют также вентилями.

В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации ) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников.
Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70- е годы во все области народного хозяйства.

В 1957 г. класс диодов пополнился новыми приборами - управляемыми полупроводниковыми вентилями. Международная электротехническая комиссия
(МЭК) дала им название тиристоры. Слово 'тиристор' состоит из двух слов: греческого thyra - дверь, вход и английского resistor - сопротивление.
Тиристоры представляют класс полупроводниковых приборов, который подразделяется на диодные (динисторы}, триодные (тринисторы), запираемые и симметричные (симисторы).

Транзистор и микросхема.

Работы группы американских ученых, сотрудников лаборатории “Белл телефон” Уильяма Брэдфорда Шокли, Джона Бардина и Уолтера Браттейна, связаны с исследованиями полупроводников. Группа работала под руководством
У.Б.Шокли настойчиво и целеустремленно в достижении результата.

У.Б.Шокли в записной книжке отметил:

"Мне пришло в голову, что в принципе возможно создание усилителя, в котором был бы использован не вакуум, о полупроводник".

Талант ученых, помноженный на трудолюбие привел к открытию транзисторного эффекта.

Всего через год после появления транзистора, в 1949 г. в США было произведено 10000 новых полупроводниковых приборов, а уже через 8 лет - 29 млн. шт. Появившиеся транзисторные приборы составили сильную конкуренцию вакуумным радиоэлектронным лампам. Это и дало основание У.Б.Шокли ввести в обиход термин "транзисторная электроника" (в отличие от ламповой), который получил широкое распространение. Изобретение транзистора стало выдающимся событием для радиоэлектроники и значительно расширило границы нашего познания, открыв новые горизонты в изучении окружающего нас мира.

В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод.
В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в
1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

В 1956 г. трем американским ученым за цикл исследований, связанных с изобретением транзистора, была присуждена Нобелевская премия по физике .

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями ( предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 мвт ) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 вт,а уже в
1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 вт и более. Маломощные же транзисторы ( до 0,5 - 0,7 вт ) могут работать на частотах свыше 500 МГц.
Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц.
Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур.
Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 ( 70 (С, а на основе кремния - не выше +100 ( 120
(С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениеде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 (С, и их рабочие частоты в итоге довелись до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 (С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники.

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации является “интеграция” электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверхбольшие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д.

Литература.

1. Словарь иностранных слов.9-е изд. Издательство “Русский язык” 1979 г.,испр. - М. : “Русский язык”, 1982 г. - 608 с.

2. Виноградов Ю.В. “Основы электронной и полупроводниковой техники”.
Изд. 2-е, доп. М., “Энергия”, 1972 г. - 536 с.

3. Журнал “Радио”, номер 12, 1978 г.