Введение.
Электри́чество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем У.Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Имена Кулона, Гальвани, Вольта, Эрстеда, Джоуля, Ома, Гаусса, Ампера, Герца прославлены стремлением постичь электричество. Однако практическое использование электрических явлений началось лишь во второй половине 19 в., после создания Джеймсом К. Максвеллом в 1873 г. классической электродинамики.
Сначала была телеграфия: самым важным в телеграфии (Б.С. Якоби, Брегет, Сименс, С. Морзе) было то, что сообщения можно было передавать по одному проводу, если заземлить его другой конец в точке приема. После этого стали на одной станции тракта передачи заземлять положительный полюс батареи, а на другой – отрицательный, при этом отпала необходимость тянуть второй провод, как это делали
вначале. «Земля» при этом являлась проводником для обратного тока, однако появилась потребность в изоляции от «земли».
В 1873 году английский физик У. Смит предложил использовать в качестве изоляции селен. Технология изоляции была следующей: селен нагревали до температуры 220 – 230 °С, при которой он переходил в жидкую фазу, а после этого его наносили на медный проводник в качестве изолятора. После остывания селенового слоя получалась сравнительно толстая «стеклянная» изоляция на телеграфном кабеле. При испытаниях этого кабеля в качестве телеграфной линии он обнаружил интересное явление: при освещении даже очень слабым «лунным» светом удельная проводимость кабеля изменялась.
Полупроводники, как новый материал для электротехники, стали применять только в середине прошлого века, хотя термин полупроводники был впервые предложен и использован в публикации немецкого физика Кенисбергером в 1914 году. В своей работе, еще в 1906 году, он писал: «При повышении температуры в оксидах и сульфидах число проводящих ими свободных квантов электричества - электронов - увеличивается, пока не станет предельным, после чего их поведение уподобляется металлам, в которых при нормальной температуре почти все электроны свободны»
В 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пиккард получает патент на изобретение кристаллического детектора. В своей патентной заявке он пишет: «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых материалов с кристаллической структурой (кремний, пирит, галенит, германий и др.) выпрямляет и вызывает демодуляцию высокочастотного тока, который возникает в антенне при приеме радиоволн».
В 1920 году, в Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев работает над исследованием кристаллических детекторов и открывает «кристадин» - материал для создания детекторов и усилителей в домашних условиях (детекторная пара: цинкит—уголь и цинкит—сталь. Цинкит- окись цинка, полупроводник). В 1923г. Олег Лосев получил патент на детекторный приёмник-гетеродин. В 1930 г. Ю. Лилиенфельд запатентовал полупроводниковый усилитель (полевой транзистор). Но лишь после 1928 года физики Арнольд Зоммерфельд и Феликс Блох объяснили открытие нелинейной проводимости с позиций квантовой механики и появились идеи создания материалов для полупроводников, а не использования минералов.
Материалы, не имеющие свободных носителей заряда и вследствие этого обладающие высоким внутренним сопротивлением, называются диэлектриками (например, стекло (SiO2), слюда, янтарь, фарфор). Материалы, сохраняющие свою проводимость даже при низких температурах и имеющие в нормальных условиях чрезвычайно малое сопротивление, называются проводниками (алюминий, медь, серебро, золото). Термином полупроводник описываются твёрдые материалы, которые по своей природе (из-за особенностей строения кристаллической решетки) и в зависимости от температуры могут иметь различное количество свободных электронов или дырок. В зависимости от количества свободных носителей заряда материалы будут иметь высокую или низкую проводимость.
Полупроводниковые диоды
Hа гpанице 30-х - 40-х годов появились пеpвые геpманиевые и кpемниевые диоды. И были это диоды СВЧ. Радиолокация тpебовала СВЧ детектоpов и смесителей, поскольку они имели чувствительность в десятки и сотни раз выше радиоламп. В радиолокации германиевые диоды с точечным контактом стали использоваться с 1942 года. В 1939 году физики Вальтер Шоттки и Эберхард Спенке, работавшие в компании Siemens&Halske, открыли принцип действия полупроводниковых диодов с переходом металл — полупроводник. Вклад Шоттки в развитие полупроводниковой техники почитается и по сей день, полупроводниковые диоды со структурой металл — полупроводник называются диодами Шоттки. Кремниевые диоды с самых первых этапов развития применялись в качестве выпрямителей.
Биполярные транзисторы
В 1947 году Вальтер Браттэйн и Джон Бардин создали на подложке из поликристаллического германия два диода с точечными контактами и обнаружили, что изменение прямого напряжения, приложенного к одному диоду, приводит к изменению обратного тока второго диода. Они назвали этот эффект «транзисторным», а прибор — транзистором. Объяснил это явление Уильям Шокли. Однако только в 1950 году был создал первый германиевый p-n-p-транзистор по сплавной технологии - капля индия вплавляется в германий. В 1955 году была представлена диффузионная технология, разработанная лабораторией Белла и компанией General Electric. Она позволяла точно изготавливать слои заданной толщины с заданным количеством примесей.
Кристаллическая решетка германия не может выдерживать без повреждения температуру свыше +75°C, поэтому исследования были обращены к кремнию, большая ширина запрещённой энергетической зоны и более высокое внутреннее сопротивление которого приводят к меньшим значениям обратного тока. В 1953…1956 годах компания Siemens разработала процесс получения кристаллического кремния. В 1954 году Гордону Тилу удалось изготовить первый кремниевый биполярный транзистор в лаборатории Белла. В 1956 году он организовал промышленное производство транзисторов в компании Texas Instruments.
Одним из разработчиков транзисторов был Гордон Мур – впоследствие почётный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel (1968), основоположник «закона Мура». А использовал новые транзисторы Seymour Cray - американский инженер в области вычислительной техники, создатель ряда американских суперкомпьютеров.
В июне 1958 года работник лаборатории Белла М. Аталла открыл великолепные изоляционные свойства полученного термическим путем диоксида кремния, (который встречается в природе в виде кварцевого песка). Используя этот материал, стало возможным изготавливать планарные полупроводниковые структуры (микросхемы). Отдельные проводящие слои разделяются чрезвычайно тонким слоем диоксида кремния. Планарная технология открыла путь для интеграции различных типов компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Первая интегральная схема (ИС) состояла из биполярного транзистора, трёх резисторов и конденсатора. Большой интерес к новой технологии пришёл со стороны компьютерной индустрии, где приходилось изготавливать большое количество идентичных схем. Между 1961 и 1963 годами появились микросхемы, использующие резисторно-транзисторную логику (РТЛ), диодно-транзисторную логику (ДТЛ), транзисторно- транзисторную логику (ТТЛ) и эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ) (Motorola). ТТЛ-логика и ЭСЛ-логика очень быстро нашли широкое применение в цифровых устройствах.
В 1959 году Аталла и Канг, работавшие в лаборатории Белла, представили транзистор с ёмкостным управлением со структурой металл—оксид—полупроводник (т.е. МОП-транзистор. Сам принцип был запатентован в 1928г.). В 1964 году компания RCA начинает применение технологии КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник,— CMOS), при которой на одном кристалле размещаются транзисторы с разными типами проводимости. В этих транзисторах открыт всегда только один из них, поэтому такая схема имеет очень низкий ток потребления. КМОП-технология и по сей день применяется, когда требуется низкое энергопотребление.
Начиная с 1966 года использующаяся в компьютерах память на магнитных сердечниках стала вытесняться полупроводниковыми микросхемами памяти. Первая ИС такого типа была выпушена компанией IBM. Она содержала 16 триггеров на биполярных транзисторах и могла хранить 16 бит информации. В конце 1970 года появилась 1024-битное динамическое ОЗУ, изготовленное по технологии NMOS, 1975 – ИС памяти объёмом 16, 64 и 256 Кбит.
Микропроцессоры
В 1969 году японский концерн Busicom захотел создать карманный электронный калькулятор на основе 5 интегральных схем. Сама компания была не в состоянии изготовить эти чипы и запросила их у компании Intel. Впоследствии разработанный компанией Intel чип стал первым микропроцессором (4004). Он имел разрядность 4 бита, содержал 2300 транзисторов и имел размеры с фалангу пальца. Через небольшой промежуток времени появился 8-битный микропроцессор 8008 и в 1974 году компания представила 16-битный микропроцессор 8086. Компании Intel удалось привлечь внимание производителя компьютеров IBM, которая выбрала 8-битный вариант микропроцессора 8086 для создания первого персонального компьютера (ПК), что обеспечило Intel долгосрочный успех на рынке благодаря серии 8086 и её преемникам — 286, 386, 486, Pentium, Itanium, Xscale, Centrino, Opetron и т.д. На сегодняшний день компания Intel доминирует на рынке микропроцессоров с долей 85%.
Строение атома и электропроводность.
Планетарная квантовая модель атома предложена датским физиком Н. Бором в 1913 году. Согласно этой модели, в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны. Их количество определяет химические свойства элемента и название вещества. Например, у водорода (H) всего один электрон, у полупроводника кремния (Si) - 14 электронов, 4 самых внешних определяют электрофизические свойства. Электрон является носителем отрицательного электрического заряда, равного по силе заряду протона. Каждый протон несет частицу положительного электрического заряда. Нейтроны не несут заряда и остаются электрически нейтральными.
Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Электроны в атоме могут находиться на строго определённых энергетических уровнях. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку.
Область пространства вероятного местонахождения электрона называется электронная оболочка. Атом может иметь до семи электронных оболочек, именуемых латинскими буквами K (ближайшая оболочка к ядру), L, M, N, O, P и Q. На таблице ниже указано максимально возможное количество электронов на каждой оболочке.
Электронная оболочка K L M N O P Q
Максимальное количество электронов 2 8 18 32 50 72 98
Выделяют в рамках оболочки подуровни. Например, в оболочке М на внешнем подуровне находится 8 электронов, которые находятся дальше всего от ядра атома, располагаются на внешней электронной оболочке и называются валентными электронами. С их помощью атом взаимодействует с соседними химическими элементами.
Гру́ппа периодической системы химических элементов (зеленая) — последовательность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением.
В обычном состоянии количество протонов и электронов одинаково, и такой атом электрически нейтрален. Когда у химического элемента не хватает одного электрона, тогда его называют положительно заряженным ионом. При избытке электронов, атом становится отрицательно заряженным ионом.
Каждой электронной оболочке в отдельно взятом атоме соответствует определенный энергетический уровень. Если по вертикали откладывать энергию, то энергетические уровни электронных оболочек атома Si можно представить в виде трех горизонтальных линий (рис 2,а). ВЗ - валентная зона, ЗЗ – запрещенная зона, ЗП – зона проводимости.
кремния и германия.
Электроны с энергетическими уровнями, лежащими во внутренних зонах, не могут принимать участие в процессе электропроводности, их на энергетических диаграммах обычно не изображают и отсчет энергии ведут от низшего уровня – валентной зоны (В3).
На рис.2 изображены энергетические (зонные) диаграммы Si и Ge. Между В3 и ЗП находится ЗЗ с шириной, равной минимальной энергии, которую необходимо сообщить валентному электрону, чтобы он мог оторваться от атома и стать свободным - это 1,12 эВ для Si и 0,72 эВ для Ge. Запрещенной зона называется потому, что электрон не может длительно находиться в ней (т.е. длительно иметь энергетические уровни, соответствующие этой зоне).
Выше запрещенной расположена зона проводимости, представляющая собой совокупность энергетических уровней свободных электронов. Если валентный электрон получил дополнительную энергию, меньшую необходимой для его отрыва от атома, например для Si меньшую 1,12 эВ, то электрон лишь переходит на более удаленную от ядра орбиту. Такое состояние атома принято называть возбужденным. Электрон вскоре возвращается на свою обычную орбиту, отдавая в окружающее пространство полученную энергию в виде электромагнитной волны – фотона.