История иследования полупроводников

Введение

Физика полупроводников имеет большое значение в современном мире. Исследования проводимости различных математиков начали проводиться в XIX веке. Изучение свойств полупроводников началось, когда возникла потребность в новых источниках энергии. На основе полупроводников были созданы новые приборы: термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические и фотоэлектрические приборы. Полупроводники имеют большую область применения. Помимо радиотехники на основе полупроводников разработаны фотоэлементы, фотодиоды, интегральные схемы. Это все привело к появлению новых ЭВМ и ПК.

Видно, что на протяжении XIX–XX веков, физика полупроводников развивается, полупроводники внедряются в развитие радиотехники и другие отрасли. Эта тема актуальна на протяжении двух столетий. В настоящее время эта тема продолжает изучаться. Сейчас же решаются проблемы физики полупроводников, такие как: гетероструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, зарядовые и спиновые волны, мезоскопия, квантовые явления в полупроводниковых системах, нанотрубки.

Эти проблемы обсуждались 19 июня 2002 года в ГАИШ на международной конференции «Темная материя, темная энергия и гравитационная линзирование» В.Л. Гинзбургом.

Целью моего реферата является – изучить исследования полупроводников на протяжении с XIX до настоящего времени.

Задачи:

1.                 Показать вклад выдающихся деятелей в изучение свойств полупроводников и раскрыть основное положения их работ.

2.                 Раскрыть основные проблемы физики полупроводников в настоящее время.

3.                 Показать область применения полупроводников и их развитие

1. Понятие о полупроводниках

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

2. фотопроводимость

Свойства полупроводников

Полупроводники – широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники – особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:

1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально.

Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.

2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото – э. д. с. или, соответственно, термо – э. д. с.

Строение полупроводников и принцип их действия.

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис. 1. Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения).

Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры

(T>0 K), освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома (рис. 2). Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.

В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны, но и «дырки». При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место – «дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка» как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей, несущей положительный заряд.

Примесная проводимость.

Один и тот же полупроводник обладает либо электронной, либо дырочной проводимостью – это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников.

Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление. Этот факт, с одной стороны, указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками.

Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая:

Электронная проводимость.

Добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n – типа (от латинского слова «негативус» – «отрицательный»).

Дырочная проводимость

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью – полупроводник p – типа.

Дырочная примесная электропроводимость создется атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. На рис. 4 схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К все связи укомплектованны, только у бора не хватает одной связи (см рис. 4а). Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов (см рис. 4б).

Подобные примеси называются акцепторными.

2. Жидкие полупроводники

Плавление многих кристаллических полупроводников сопровождается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичных для металлов (см рис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т.д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например, сплавы Te – Se, ботатые Te). Сплавы же Te – Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.

В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляеся зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.

3. Понятие об активных диэлектриках

Активные диэлектрики

Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий – температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах.

К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкой границы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал в зависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивного изолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью
внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены – области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I.

За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.

Отечественное название – сегнетоэлектрики произошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC4H4O6). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO3.

На примере BаTiO3 рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков.

Химические связи в BаTiO3 ионно-ковалентные. Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария.

Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в кислородном октаэдре.

При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной – кубической.

Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120 °С) он локализуется вблизи одного из ионов кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсу образовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятся спонтанно поляризованными.

Одновременно со спонтанной поляризацией идет деформация кристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической.

Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом.

Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.

Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравнительно мало. Такими направлениями будут направления типа <111>. Соответственно соседние домены могут быть разориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрические моменты соседних доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.

Важно отметить, что на границах доменов происходит постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так же, как и ферромагнетиках.

4. 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 1910 г.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4