Тема. ДИОДЫ
По количеству выпускаемых промышленностью единиц, по точности технологии и чистоте производства, но количеству областей применении нет прибора, который хоть в какой-то мере мог приблизиться к транзистору. На основе транзисторов сознаны интегральные схемы - совершенный продукт технологического прогресса XX столетия. Как же и когда возник транзистор и интегральная схема — чудо-приборы?
В основе работы транзисторов лежат физические явления и эффекты в полупроводниках, или как их называли более 100 лет назад, в "плохих" проводниках. В 1833 году Майкл Фарадей столкнулся с первой загадкой полупроводников. При исследовании сернистого серебра он обнаружил, что с повышением температуры электропроводность образца возрастает. А всем уже было известно, что металлические проводники линейно увеличивали свое сопротивление с ростом температуры. И только сопротивление образцов из семейства "плохих" проводников, в данном случае сернистого серебра, наоборот, уменьшалось по экспоненциальному закону. Физики не могли тогда дать ответ на эту загадку "плохих" проводников. В 1851 году Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом появляется электродвижущая сила. Возникновение фотоЭДС или фотогальванический эффект стал второй загадкой в ряду не разгаданных.
В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил, что переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, выпрямляется. Пирит, или колчедан, был самым распространенным минералом, который в то время всесторонне исследовался. Так вот, сопротивление контакта не подчинялось известному и почитаемому всеми физиками закону Ома. Более того, свойства контакта определялись величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья загадка «плохих проводников». Эффект выпрямления тока был обнаружен и в других веществах. К ним были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, закись меди и др. Этот класс веществ стали называть полупроводниками. Природу выпрямления тока тогда объяснить так и не удалось.
Большинство ученых отнесли этот эффект к термическому.
Американский физик Эдвин Герберт Холл в 1879 году открыл явление возникновения электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, которое направлено перпендикулярно направлению тока и магнитному полю. В одних полупроводниках возникающее электрическое поле направлено в одну сторону, в других — в противоположную. Выходило так, что существуют отрицательно заряженные частицы — электроны и какие-то, в то время неизвестные, положительно заряженные, которые и определяют направление этого поля. Открытое явление стало четвертой загадкой "плохих" проводников.
Эффекты выпрямления электрического тока и фотопроводимость полу-проводников стали использовать для практических целей. Уже в 1876 году В. Адамсон и Р. Лей создали фотоэлемент на основе селена, а в I883 году С. Фритте изготовил первый твердотельный выпрямитель электрического тока. Однако в то время объяснить их работу никто так и не смог.
Большинство ученых считали, что эти "загадки" могут быть объяснены какими-то неизвестными термическими эффектами. Теория теплоты тогда могла объяснить многое, но не это. Все это свидетельствовало об электрической, а не термической природе явлений. Особо подчеркнем, что созданная в 1860—1865 годах Дж. Максвеллом теория электромагнитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок. Только лишь в 1906 поду Г. Пирс доказал электрическую природу выпрямления тока. Пока лучшие теоретики искали отгадки, инженеры все шире применяли полупроводники.
В начале нашего века ученых захватили исследования в области беспроводной связи. Они создавали приемники радиоволн, которые могли детектировать сигналы. В первых конструкциях радиоприемников использовались контакты полупроводникового материала и металла, например, карбид кремния, теллур, окись цинка, селен совместно с металлической пружиной. Кристаллические полупроводниковые детекторы излучения позволяли выпрямить радиочастотные сигналы, но усиливать их не могли.
Наш соотечественник, выдающийся радиоинженер Олег Владимирович Лосев, изучая в 1922 году свойства кристаллического детектора, обнаружил на вольтамперной характеристике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и на основе этого кристалла получил генерирующий детектор. Советский радиоинженер впервые в мире построил полупроводниковый прибор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие - полупроводник (кристалл цинкита). Этот прибор вошел в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» Лосева. Позднее, в 1927 году. Лосев открыл также явление свечения кристалла карборунда при прохождений тока через точечный контакт. По существу это был первый светодиод. Открытия Лосева вызвали большой, но кратковременный интерес. Четкого объяснения открытых явлений дано не было, и в то же время воспроизводимость опытов оставляла желать лучшего. Промышленное внедрение так и не состоялось. Тем более что те далекие 30 - 40-е годы прошлого века были порой расцвета электровакуумных ламп. Идеи электронной лампы попытались воплотить в твердотельный аналог. В 1925 году профессор физики Юлиус Лилиенфельд получил несколько патентов на конструкцию усилителя с использованием сульфида меди. Спустя десять лет в Англии выдан патент немецкому изобретателю Оскару Хейлю на полевой триод. В нем предлагалось использовать управляющий электрод для регулирования тока через слой полупроводника.
В 1926 году советский физик Яков Ильич Френкель ввел понятие о дырках в кристаллах, о дефектах кристаллической решетки, представляющих собой дырку в междуузлии, так называемые дефекты по Френкелю. В дальнейшем теорию дырок развил английский физик Поль Адриен Морис Дирак и немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг в середине тридцатых годов. В 1932 году советский физик Игорь Евгеньевич Тамм предсказал существование на поверхности кристаллов особых состояний электронов — уровней Тамма.
В 1938 году немецкий физик Роберт Рихард Поль разработал конструкции кристаллического усилителя, действие которого основано на использовании проволочной сетки для управления потоком электронов через нагретый кристалл бромида калия. Прибор позволял усиливать сигналы и доказывал возможность создания кристаллических полупроводниковых приборов.
Ненадежные в те времена полупроводниковые приборы не могли конкурировать с электронными вакуумными лампами. Известно, что хорошая теория быстро продвигает технические идеи на уровень внедрения. Но в полупроводниковой электронике четыре загадки так и остались неразгаданными с прошлого века.
1. Почему сопротивление полупроводников падает с ростом температуры?
2. Почему сопротивление полупроводников уменьшается при их освещении?
3. Почему сопротивление контакта двух полупроводников зависит от полярности прикладываемого напряжения?
4. Почему в полупроводнике с током, помешенном в магнитное поле, могут существовать отрицательно и положительно заряженные носители заряда?
На все эти и другие «почему» никто не мог дать ответ почти 100 лет.