К началу 30-х годов проводились интенсивные исследования полупроводниковых структур, предпринимались энергичные поиски природных и синтезированных полупроводников, интерметаллических соединений. В 1928—1930 годах американский физик Феликс Блох и французский физик Леон Бриллюэн заложили основы зонной теории твердых тел.
И вот в I931 году английский физик Алан Хэррис Вильсон построил квантовую теорию полупроводников, привлекая математический аппарат квантовой механики. В соответствии с этой теорией в твердом теле энергетические состояния электронов образуют так называемые зоны, разделенные промежутками запрещенных значений энергий. Верхняя зона, в которой находятся свободно перемещающиеся заряды, получила название зоны проводимости, а нижняя, в которой заряды находятся в связанном состоянии, была названа валентной зоной. Промежуточное состояние называли запрещенной зоной (рис. 2.1).
Исходя из представлений о зонной структуре электронного спектра, Вильсон провел деление кристаллов на металлы, полупроводники и диэлектрики. Если ширина запрещенной зоны велика, то в твердом теле с такой энергетической характеристикой электропроводность
отсутствовала. Такие вещества называются диэлектриками. Если же ширина запрещенной зоны невелика, то существуют различные способы возбуждения электронов в полупроводнике. Например, при разогреве твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия, и они из валентной энергетической зоны переходят в более
высокоэнергетическую зону проводимости. При этом вещество с такой энергетической зонной структурой обладает большей электропроводностью, а значит, меньшим сопротивлением. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, стало быть, сопротивление полупроводников падает. Возможен и другой механизм перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Речь идет о возбуждении электронов квантами света. Термически или оптически возбужденные электроны становятся свободными электронами проводимости.
Рис. 2.1. Простейшая модель атома меди Cu
Таким образом, теория Вильсона объяснила те первые загадки, почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и освещении. Впоследствии выяснилось, что процесс электропроводности полупроводников значительно сложнее. Квантово-механическое представление структуры твердого тела подсказало исследователем, что освободившееся от электронов места в процессе их перехода в зону проводимости образуют вакансии или дырки, и становятся свободными носителями положительного заряда. Поведение дырок аналогично поведению возбужденных электронов. Они обладают подвижностью, эффективной массой и могут образовывать электрический ток, направление которого противоположно току электронов. Стал понятен эффект Холла, когда в одних полупроводниках преобладают отрицательные носители заряда, a в других — положительные. Стало ясно, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (n -типа), при которых эффект Холла имеет отрицательное значение во всей области температур. Вместе с тем, есть полупроводники с положительным значением эффекта Холла, которые имеют дырочный тип проводимости (р -тип). Первые были названы донорными, а вторые - акцепторными. Зонная теория «заработала». Открытия посыпались, как из рога изобилия.
А вот разгадать загадку контактного сопротивления долго не удавалось. Ни теория Вильсона, ни дальнейшее ее развитие не могли объяснить этот феномен полупроводников. А между тем на практике широко использовались полупроводниковые выпрямители электрического типа. Хорошие выпрямители одновременно выполняли функции хороших фотоэлементов. Выяснилось также, что величина термо-ЭДС в полупроводниках на несколько порядков выше, чем в металлах. Все эти экспериментальные факты нуждались в обобщении и объяснении. Теория Вильсона не могла все объяснить, в частности механизм выпрямления тока. Оставаясь одна загадка — "загадка века".
Шли напряженные исследования. В конце 30-х годов три физика — советский Александр Сергеевич Давыдов, английский Невилл Фрэнсис Мотт и немецкий Вальтер Шоттки независимо друг oт друга предложили теорию контактных явлений. Оказывается, в полупроводниковых материалах вблизи границы дырочного и электронного типов полупроводников имеет место область обеднения носителями заряда. В этом месте возникает эффективный электронно-дырочный барьер для равновесных электронов, который не позволяет электронам и дыркам свободно "гулять" по полупроводнику (рис. 2.2). Через такую систему ток проходит свободно в одном направлении, а в другом — плохо. Электрическое сопротивление системы зависит от величины и направления приложенного напряжения. Например, при приложении электрического поля в прямом направлении высота барьера снижается, и наоборот. Неосновные носители заряда (дырки в электронном и электроны в дырочном полупроводнике) играют определяющую роль. Соответствия между теоретическими и экспериментальными данными были только качественными. Свойства твердого тела очень чувствительны к структуре, к присутствию в ней дефектов. К таким чувствительным свойствам относятся электропроводность,
фотопроводность, люминесценция, механическая прочность. Наличие и природа рассматриваемых эффектов, их роль в формировании свойств твердого тела были обнаружены в период становления квантовой механики.
Рис.2.2. Полупроводниковый p-n – переход без внешнего смещения
Одновременно с развитием теории отрабатывались технологические процессы получения полупроводники» с заданным типом проводимости. В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, вырезанный из цилиндрического сплава, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так, впервые был создан р-n -переход, ставший важнейшим элементом современной полупроводниковой электроники.
В 1941 году советский физик Вадим Евгеньевич Лашкарев впервые обнаружил р-n -переход в закиси меди. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока, построил общую теорию фото-ЭДС в полупроводниках. Итак, лишь в 40-е голы, почти через 100 лет, удалось разгадать все основные загадки "плохих" проводников.
В эти предвоенные и военные годы быстрыми темпами развивалась радиолокация, мощные источники высокочастотной энергии. Нужны были электронные приборы дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн. Тут электронные лампы были вне игры. В этой области эффективными были именно твердотельные детекторы. Так германиевые и кремниевые детекторы или СВЧ-диоды могли использоваться в частотном диапазоне до 4 ГГц.
В СССР эти работы велись а основном в НИИ-108 и НИИ-160 под научным руководством Сергев Григорьевича Калашникова и Александра Викторовича Красилова. Соответственно. В послевоенный период были созданы германиевые выпрямители с коэффициентом полезного действия (КПД), равным 98%. Разработки отечественных и зарубежных ученых в те годы шли примерно на одном уровне. Дело в том, что руководители страны считались с мнением ученых и интенсивно развивали научные и прикладные исследования по широкому спектру проблем радиоэлектроники.
Организовывались новые НИИ и КБ, заводы и лаборатории при них. Они оснащались современным уникальным оборудованием. В области полупроводников в те годы стояла нерешенная проблема— протекание тока через контакт «металл — полупроводник». Широко применялись методы зондовых исследований поверхностного потенциала вокруг точечного контакта. Был выявлен эффект управления током одного из точечных контактов с помощью рядом расположенного другого контакта. Однако интерпретация была разной. Наши исследователи были очень осторожны, не верили в эффект усиления сигнала и заставляли сотрудников более тщательно чистить поверхность (Калашников С. Г., Пенни Н. А.). А вот американские физики увидели новое явление и создали точечный транзистор.
Полупроводники
Использование полупроводников обеспечило прогресс электронной промышленности благодаря созданию таких твердотельных приборов, как диоды, транзисторы и интегральные схемы. Атомы углерода, германия и кремния имеют по четыре электрона в валентных зонах. Они занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами и называются полупроводниками. В табл. 2.1 показано, что их удельное сопротивление много выше, чем у металлов, и гораздо ниже, чем у диэлектриков.
Первым полупроводниковым материалом, примененным в электронике,
был германий, но в настоящее время основным элементом, используемым в
транзисторах и диодах, является кремний, который имеет некоторые преимущества.
Кристаллическая решетка
Как уже говорилось, и кремний, и германий имеют по четыре валентных
электрона на внешней оболочке. Для того чтобы заполнить эту оболочку,
атомы располагаются в кристаллической решетке таким образом, что каждый
из них связан своими валентными электронами с четырьмя соседними атома-
ми, образуя ковалентную связь. Реальное расположение атомов представляется трехмерной тетраэдрической моделью (рис. 2.3, а), а упрощенная двумерная модель дает представление о ковалентных связях.
Рис. 2.3. Идеализированная модель решетки кремния
Здесь видно, что каждое ядро окружено 8 электронами, обеспечивающими ковалентные связи в кристаллической решетке.