Ответы@Mail.Ru: Самый известный полупроводник?

Муравей. Кто ещё лучше в щели пола ориентируется?

Проводник за полцены.

пьяный проводник…

В винде полупроводник не установлен.

Женская логика

Который высадил из вагона на пол-пути.

Диод, туда пропускает а обратно нет.

Вася-проводник — один на два вагона.

Список микроэлектронных производств — Википедия

Компания	Название фабрики	Местоположение	Примерная стоимость, млрд $	Начало производства	Диаметр пластин, мм	Техпроцесс, нм	Производительность, пластин в месяц
Intel	D1D[34]	Hillsboro, Орегон, США		2003	300	22
Intel	D1C[34]	Hillsboro, Орегон, США		2001	300	32
Intel	D1X[35]	Hillsboro, Орегон, США		2013	300	22
Intel	Fab 12[34]	Chandler, Аризона, США		1996	300	65
Intel	Fab 32[34][36]	Chandler, Аризона, США	3	2007	300	45
Intel	Fab 32[34][37]	Chandler, Аризона, США			300	32 / 22
Intel	Fab 42[38][39]	Chandler, Аризона, США	5	план 2013, не запускалась[40]	300	14
Intel	Fab 11x[34]	Rio Rancho, New Mexico, США		2002	300	32
Intel	Fab 11x[34]	Rio Rancho, New Mexico, США		2002	300	45
Intel	Fab 17[34]	Hudson, Massachusetts, USA		1998	200
Intel	Fab 10 [34]	Leixlip, Ирландия		1994	200
Intel	Fab 14[34]	Leixlip, Ирландия		1998	200
Intel	Fab 24[34]	Leixlip, Ирландия		2006	300	65
Intel	Fab 24[34]	Leixlip, Ирландия		2006	300	90
Intel	Fab 28[34]	Kiryat Gat, Израиль		2008	300	45 / 22
Intel	Fab 68[34][41]	Dalian, Китай	2.5	2010	300	65
Motorola	MOTOFAB1[42]	Guadalajara, Мексика		2002
Micron		USA, Virginia			300
GlobalFoundries	Fab 1[43]	Дрезден, Германия	2.5	2005	300	45 и менее	80,000
GlobalFoundries	Fab 7[43]	Сингапур			300	130-40	50,000
GlobalFoundries	Fab 8[43][44]	Malta, New York, США	4.6	2012	300	28	60,000
GlobalFoundries	Fab 2[45]	Сингапур			200	600-350	50,000
GlobalFoundries	Fab 3/5[46]	Сингапур			200	350-180	54,000
GlobalFoundries	Fab 3E[45]	Сингапур			200	180	34,000
GlobalFoundries	Fab 6 [45]	Сингапур			200	110	45,000
GlobalFoundries	Fab 9[47]	Abu Dhabi, ОАЭ		2015
TSMC	Fab 2[48]	Hsinchu, Тайвань			150
TSMC	Fab 3	Hsinchu, Тайвань			200
TSMC	Fab 5	Hsinchu, Тайвань			200
TSMC	Fab 6	Tainan, Тайвань			200
TSMC	Fab 8	Hsinchu, Тайвань			200
TSMC	Fab 10	Shanghai, Китай			200
TSMC	Fab 12	Hsinchu, Тайвань			300	28
TSMC	Fab 12	Hsinchu, Тайвань			300	22
TSMC	Fab 12(P4)	Hsinchu, Тайвань
TSMC	Fab 14	Tainan, Тайвань			300	28
TSMC WaferTech	Fab 14	Camas, Washington, США			200
TSMC	Fab 15[49]	Taichung, Тайвань		2011Q4	300	28
TSMC	Fab 15[49]	Taichung, Тайвань		конец 2011	300	20
TSMC	Fab 16	Taichung, Тайвань		План	300	28
UMC	Fab 6A	Hsinchu, Тайвань			150
UMC	Fab 8AB	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 8C	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 8D	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 8E	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 8F	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 8S	Hsinchu, Тайвань			200
UMC	Fab 12A	Tainan, Тайвань			300
UMC	Fab 12	Сингапур			300
Vanguard International Semiconductor Corporation	Fab 1	Тайвань, Hsinchu			200
Vanguard International Semiconductor Corporation	Fab 2	Тайвань, Hsinchu			200
IM Flash	IM Flash[50]	Сингапур		2011.04	300	25
IM Flash	IM Flash	Lehi, Utah, США			300	20
IM Flash	IM Flash	Manassas, Virginia, США
NXP Semiconductors	DHAM[51]	Германия, Гамбург
NXP Semiconductors		Китай, Jilin
NXP Semiconductors		Великобритания, Манчестер
NXP Semiconductors	ICN8	Нидерланды, Nijmegen
NXP Semiconductors	SSMC	Сингапур
IBM	Building 323[52][53]	East Fishkill, N.Y., США	2.5	2002	300
IBM	Burlington Fab	Essex Junction, VT, США			200
STMicroelectronics	Crolles 1 / Crolles 200	Crolles, Франция		1993	200
STMicroelectronics	Crolles2	Crolles, Франция		2003	300	90
STMicroelectronics	Crolles2	Crolles, Франция			300	65
STMicroelectronics	Crolles2	Crolles, Франция			300	45
STMicroelectronics	Crolles2	Crolles, Франция			300	32
STMicroelectronics	Agrate	Agrate Brianza, Italy			200
STMicroelectronics	Catania	Catania, Italy		1997	200
STMicroelectronics	Rousset	Rousset, Франция		2000	200
CNSE	NanoFab 300 North[54]	Albany, NY, США	.175	2005	300	65
CNSE	NanoFab 300 North[54]	Albany, NY, США			300	45
CNSE	NanoFab 300 North[54]	Albany, NY, США			300	32
CNSE	NanoFab 300 North[54]	Albany, NY, США			300	22
CNSE	NanoFab 300 South[54]	Albany, NY, США	.050	2004	300	22
CNSE	NanoFab 200[55]	Albany, NY, США	.016	1997	200
CNSE	NanoFab Central[54]	Albany, NY, США	.150	2009	300	22
Powerchip Semiconductor	Memory Foundry[56]	Тайвань			300	90
Powerchip Semiconductor	Memory Foundry[56]	Тайвань			300	70
Freescale Semiconductor	ATMC[57]	Остин, Техас, США		1995	200	90
Freescale Semiconductor	Chandler Fab[58]	Chandler, Arizona, США	1.1[59]	1993	200	180
Freescale Semiconductor	Oak Hill Fab[60]	Остин, Техас, США	.8[61]	1991	200	250
Freescale Semiconductor	Sendai Fab[62]	Sendai, Япония		1987	150	500
Freescale Semiconductor	Toulouse Fab[63]	Toulouse, Франция		1969	150	650
SMIC	S1 Mega Fab[64]	Shanghai, Китай			200	90	94 тыс. суммарно на S1[65]
SMIC	S1 Mega Fab[64]	Shanghai, Китай			200	350
SMIC	S1 Mega Fab[64]	Shanghai, Китай			200	90
SMIC	S2[64]	Shanghai, Китай			300	45/40
SMIC	B1 Mega Fab[64]	Beijing, Китай		2004	300	130
SMIC	B1 Mega Fab[64]	Beijing, Китай		2004	300	65/55	36 тысяч суммарно на B1[65]
SMIC	Fab 7[64]	Tianjin, Китай		2004	200	350	39 тысяч суммарно на F7[65]
SMIC	Fab 7[64]	Tianjin, Китай			200	130
SMIC	Fab 8	Шанхай, Китай			200	45-28 нм	15 тысяч суммарно на F8[65]
Winbond	Memory Product Foundry[66]	Taichung, Тайвань			300	90
Winbond	Memory Product Foundry[66]	Taichung, Тайвань			300	65
MagnaChip	F-5[67]	Cheongju, Южная Корея		2005	200	130
ProMOS	Fab 4[68][69]	Taichung, Тайвань	1.6		300	70
Telefunken Semiconductors	Heilbronn	Heilbronn, Германия			150		10,000
Telefunken Semiconductors	Roseville fab[70]	Roseville, CA, США			200
Hynix	M7[71]	Icheon, Южная Корея			200
Hynix	M8[71]	Cheongju, Южная Корея			200
Hynix	M9[71]	Cheongju, Южная Корея			200
Hynix	E1[71]	Eugene, OR, США			200
Hynix	HC1[71]	Wuxi, Китай			200
Fujitsu	Fab No. 1[72]	Mie Prefecture, Япония		2005	300	65	15,000
Fujitsu	Fab No. 1[72]	Mie Prefecture, Япония		2005	300	90	15,000
Fujitsu	Fab No. 2[72]	Mie Prefecture, Япония		2007	300	65	25,000
Fujitsu	Fab No. 2[72]	Mie Prefecture, Япония		2007	300	90	25,000
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США				65
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США				90
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США				130
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США				180
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США				250
Cypress Semiconductor	Minnesota fab	Bloomington, MN, США		1991		350
ON Semiconductor	Gresham[73]	Gresham, OR, США		Future	200	65
ON Semiconductor	Gresham[73]	Gresham, OR, США			200	130
ON Semiconductor	Pocatello[74]	Pocatello, ID США			200	350
ON Semiconductor	Pocatello[74]	Pocatello, ID США			200	5000
National Semiconductor	Greenock[75]	Greenock, Scotland			150		20,833
National Semiconductor	South Portland[76]	South Portland, ME, США	.932	1997		350
National Semiconductor	South Portland[76]	South Portland, ME, США				250
National Semiconductor	South Portland[76]	South Portland, ME, США				180
National Semiconductor	West Jordan	West Jordan, UT, США		1977	102
National Semiconductor	Arlington	Arlington, TX, США		1985	152
Samsung	Line-16[77]	Hwaseong, Южная Корея		2011	300	20	12,000
Samsung	S2[78]	USA, TX, Остин		2011	300	32	40,000
TowerJazz Semiconductor	Fab 1[79]	Израиль, Migdal Haemek		1989
TowerJazz Semiconductor	Fab 2[79]	Израиль, Migdal Haemek		2003	200	130-180
TowerJazz Semiconductor	Fab 3[79]	США, Калифорния, Newport Beach		1967	200[80]	130-500	17,000
TowerJazz Semiconductor	Fab 4[79]	Япония, Nishiwaki City

Патриархи компьютерного века: Полупроводники: меньше да лучше

В эпоху расцвета радиолюбительства в первой половине прошлого века были популярны простые самодельные устройства, с помощью которых можно было слушать передачи ближайших радиостанций.

Главным их элементом был подключенный к антенне детектор из кусочка галенита — сульфида свинца. С помощью металлической иголки, подсоединенной одним концом к наушникам, на поверхности галенита можно было найти удачную точку контакта и слушать радиопередачи. Мальчишки поступали еще проще — брали свинец и вплавляли в него серный порошок, оставалось сделать простенькую антенну, наушники — и готов радиоприемник. Это было в своем роде чудо: устройство работало, но никто, даже самый выдающийся физик, не мог бы объяснить, почему так происходит. Найти ответ помогла квантовая механика, и когда удивительные свойства полупроводников перестали быть загадкой, в истории современной цивилизации наступила очередная технологическая революция, которая длится и по сей день.

Первые ласточки

В обычных условиях полупроводниковые материалы вполне оправдывают свое название. Они проводят ток гораздо хуже проводников, но заметно лучше диэлектриков. Во всем остальном их поведение никак не назовешь «промежуточным». Стоит их охладить — и они становятся диэлектриками, в то время как металлы ведут себя с точностью до наоборот. А при нагревании полупроводники, в противоположность металлам, начинают все лучше и лучше проводить электричество. Такое необычное поведение сульфида серебра наблюдал еще в середине позапрошлого века Майкл Фарадей.

На основе полупроводников можно делать выпрямители — устройства для преобразования переменного тока в постоянный. Есть у этих материалов и еще одно необычное свойство — светочувствительность — при освещении они начинают лучше проводить электрический ток. Впервые это заметили английские инженеры, работавшие с телеграфным кабелем. Изоляцию кабеля делали из селена, но оказалось, даже лунный свет способен заметно менять ее сопротивление. Так элемент, получивший свое название в честь Луны, через полвека удивительным образом его оправдал.

Кстати, открытием особых свойств селена не замедлил воспользоваться немецкий изобретатель Вернер фон Сименс, который в 1875 году создал первый полупроводниковый фотометр. В обычную электрическую цепь Сименс включил селеновый элемент, сопротивление которого менялось в зависимости от освещенности, соответственно увеличивая или уменьшая регистрируемый гальванометром ток.

С изобретением радио все силы были брошены на создание приборов для детектирования и усиления радиосигналов. Конечно, наиболее чувствительные радиоприемники в то время были ламповыми, но не обошлось и без полупроводниковых устройств, не требовавших питания и использовавших энергию радиоволн. Каждому радиолюбителю тех времен был знаком кристадин, придуманный в 1922 году лаборантом Нижегородской радиолаборатории Олегом Владимировичем Лосевым. На основе полупроводникового материала цинкита (ZnO) Лосев создал первые в мире полупроводниковые усилитель и генератор электрических сигналов. Эти результаты привлекли всеобщее внимание, но тогда подобные приборы никак не могли составить конкуренцию электронным лампам, поскольку параметры полупроводников были не очень надежны, а характеристики труднопредсказуемы.

Шли годы, и, несмотря на постоянные усовершенствования, лампы не поспевали за новыми техническими требованиями к быстродействию и энергопотреблению, а экономия размеров при создании сложных схем и вовсе оборачивалась головной болью для схемотехников. В 1940-е годы на смену громоздким и медленным лампам стали приходить германиевые диоды и другие полупроводниковые элементы. Однако для полного счастья недоставало одной важной детали — полупроводникового усилителя.

Размер имеет значение

Почти одновременно с Лосевым, в 1925 году, американский исследователь Юлиус Лилиенфельд предложил простую идею усилительного устройства, основанную на так называемом «эффекте поля». Она заключалась в следующем. Возьмем плоский конденсатор, одна обкладка которого металлическая, а другая — из легированного полупроводника, где есть определенное количество избыточных носителей заряда, например электронов. Если на металлическую пластину подать отрицательный потенциал, поле будет вытеснять электроны из приповерхностного слоя полупроводника, там возникнет недостаток носителей тока, и электрическое сопротивление полупроводниковой пластины увеличится. При смене полярности, наоборот, носителей в этой области станет больше и сопротивление уменьшится. Получается, что с помощью напряжения, приложенного между металлом и полупроводником, можно управлять сопротивлением полупроводниковой пластины. Что и требовалось получить! Однако у этой привлекательной идеи был один недостаток — все попытки заставить подобное устройство работать оканчивались неудачей.

И все же галенитовые детекторы и селеновые выпрямители использовались в реальных приборах, была разработана зонная теория, позволявшая многое объяснить, а значит, был повод для оптимизма. Уже летом 1945 года в Bell Labs организовали группу по изучению полупроводников. Задача была сформулирована вполне четко — найти полупроводниковую замену ламповым усилителям и электромеханическим реле. Решили следовать идеям об эффекте поля и сосредоточить усилия на изучении кремния и германия, как материалов наиболее стабильных и дающих наибольшую вероятность получения высокочистых кристаллов.

Теоретик Джон Бардин и экспериментатор Уолтер Браттейн работали вместе. После безуспешных попыток воспроизвести эффект поля они постепенно перешли к опытам без диэлектрика. Сначала экспериментировали с кремнием, затем с германием, добавляя на его поверхность капельки электролита. Потом электролит заменили тонким слоем золота. И вот появился первый, еще весьма слабый эффект, его удалось наблюдать на схеме, где один контакт был подсоединен к напыленному пятну золота, а второй представлял собой вольфрамовую иголку. Тщательные вычисления показали, что для наблюдения заметного усиления два контакта должны находиться на расстоянии всего в 50 микрон (диаметр человеческого волоса). Чтобы получить такие маленькие расстояния, золотые полоски напыляли на кристалл и разрезали бритвой.

И вот в конце 1947 года был изготовлен действующий транзистор — конструкция на основе полупроводникового материала, которая позволяла усиливать электрический сигнал. О результатах доложили начальству, но публичное объявление об открытии решили пока отложить, поскольку исчерпывающего объяснения эффекта не было — схема принципиально отличалась от той, что предлагал Лилиенфельд. В это время один из руководителей той же лаборатории Уильям Шокли занялся собственными изысканиями и после нескольких недель напряженной работы нашел объяснение. Он сформулировал теорию p-n перехода, а кроме того, придумал новый вариант устройства — биполярный транзистор, гораздо более эффективный, чем первый точечный, реализованный Бардином и Браттейном. В 1956 году, когда важность этих открытий уже ни у кого не вызывала сомнения, всем троим была присуждена Нобелевская премия по физике.

Биполярный транзистор представляет собой сэндвич, где между слоями полупроводника одного типа расположен слой полупроводника другого, например, p-типа. Тонкая прослойка выполняет роль своеобразного затвора, как на плотине. «Опуская» или «поднимая» ее, можно регулировать основной ток. Чтобы эта конструкция работала, прослойка должна быть достаточно тонкой. Чем она тоньше, тем больше коэффициент усиления и выше быстродействие транзистора.

Лаборатории Белла сразу оформили патент на это революционное изобретение, но, что касается технологий, тут дела продвигались не так стремительно, как хотелось бы. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали оптимизма — стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз, а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми технологическими проблемами, фирма решилась на необычный шаг: в начале 1952 года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в $25 тысяч вместо регулярных выплат за пользование патентом. Доступность технологии дала свои плоды — мир начал стремительно меняться.

И все-таки он работает!

Несмотря на триумф биполярных транзисторов, самые упорные исследователи не оставляли попытки сделать прибор на основе эффекта поля, получивший название «полевой транзистор». Первую работающую конструкцию придумал все тот же Шокли. Вместо металлического слоя над основным полупроводником он использовал сильно легированный (с большим количеством примесей) полупроводник противоположного типа. Роль управляющего затвора выполнял p-n переход. А еще через несколько лет удалось-таки найти подходящие материалы, чтобы в точности реализовать идею Лилиенфельда.

К большой радости технологов это оказались… кремний и двуокись кремния. Устройства получили название в соответствии со своей конструкцией: МДП-структуры (металл-диэлектрик-полупроводник) или, чтобы подчеркнуть, что роль диэлектрика выполняет окисел, — МОП-структуры (металл-окисел-полупроводник). Главное преимущество полевых транзисторов — низкое энергопотребление. Управляет сигналом поле, то есть напряжение, а ток в управляющем канале практически не течет, и значит, никаких потерь нет.

Итак, физики выполнили свою задачу, дальше за дело взялись технологи. Их основными целями были маленькие размеры элементов, их надежность и быстродействие. В июле 1958 года Джек Килби, поступивший незадолго до того на работу в Texas Instruments, написал в своем лабораторном журнале: «Можно добиться чрезвычайной миниатюризации множества электрических цепей, разместив резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды на одном куске кремния». А дальше на пяти страницах подробно объяснил, как это можно сделать.

Не менее важным, чем сама идея «интеграции» элементов, стало изобретение планарной технологии, позволяющей изготавливать все контакты и слои транзистора на одной стороне пластины кремния. А когда Нойс, сотрудник созданной Шокли компании Fairchild Semiconductor, придумал, как можно наносить токопроводящие соединения между отдельными элементами, на свет появилась первая интегральная схема (ИС).

Первая промышленная ИС, выпущенная в 1961 году, содержала шесть элементов: четыре биполярных транзистора и два резистора, размещенных на пластине диаметром 1 см. Теперь нас этим не удивишь — современная микросхема примерно такого же размера, например в персональном компьютере, содержит уже не единицы, а миллионы транзисторов.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2005).

Полупроводниковые приборы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 декабря 2019; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 декабря 2019; проверки требуют 4 правки.

Полупроводниковые приборы, ПП — широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников.

К полупроводниковым приборам относятся:

• Интегральные схемы (микросхемы)
• Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки),
• Тиристоры, фототиристоры,
• Транзисторы,
• Приборы с зарядовой связью,
• Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролётные диоды),
• Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели),
• Терморезисторы, датчики Холла.

в СССР

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР ещё в 1920-х — 1930-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории учёный О. В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приёмопередаточное устройство — кристадин^[1].

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введён в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время — пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813^[2].

в России

Холдинг «Росэлектроника» объединяет предприятия-производители электроной продукции.

см. Категория:Производители полупроводниковых приборов

Микросхемы

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины.

• С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х тт. 2-е изд. М., Мир, 1984.
• М. С. Шур. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х тт. М., Мир, 1992.
• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 8-е издание, исправленное.. — М.: Лань, 2006. — 480 с.

Полупроводники. 100 знаменитых изобретений

Полупроводники

После изобретения в 1904 г. Дж. Флемингом двухэлектродной лампы-диода и Л. Де Форестом в 1906 г. трехэлектродной лампы-триода в радиотехнике произошла революция. Эти изобретения позволили усиливать не только телеграфные сигналы, но и перейти к радиотелефонии – передаче по радио человеческого голоса. Помимо этого, они позволили усиливать высокочастотные колебания.

Началось бурное развитие радиотехники. Но одновременно с ним выявились недостатки применения вакуумных электронных приборов. Электронная лампа имеет небольшой срок службы. Приняв средний срок службы лампы за 500 часов, при количестве ламп в одном устройстве 2000 штук в среднем каждые 15 минут следовало бы ожидать отказа по крайней мере 1 лампы. Для обнаружения неисправности следовало проверить как минимум несколько сотен ламп. Самой уязвимой частью ламп является нить накала. При включении и выключении прибора нить поочередно раскаляется и охлаждается, что повышает вероятность ее перегорания. Для разогрева лампы требуется мощность в сотые доли ватта. Помноженная на количество ламп потребная мощность достигает нескольких сотен, а иногда тысяч ватт.

Недостатки электронных ламп особенно остро выявились в конце 40-х – начале 50-х гг. прошлого века с появлением первых электронно-вычислительных машин. Их надежность и размеры определялись именно размерами, энергетической емкостью и надежностью используемых в них вакуумных ламп.

Выход из кризиса открыли полупроводниковые приборы, которые, несмотря на свои недостатки, имели явные преимущества по сравнению с лампами: небольшие размеры, мгновенная готовность к работе ввиду отсутствия нити накала, отсутствие хрупких стеклянных баллонов. Эти необходимые в то время свойства побудили к поиску способов устранения недостатков полупроводников.

Исследования проводимости различных материалов начались непосредственно в XIX в. сразу после открытия гальванического тока.

Первоначально их делили на две группы: проводники электрического тока и диэлектрики, или изоляторы. К первым относятся металлы, газы и растворы солей. Их способность проводить ток объясняется тем, что их электроны сравнительно легко отрываются от атома. Особый интерес представляли те из них, которые обладали низким электрическим сопротивлением и могли применяться для передачи тока (медь, алюминий, серебро).

К изоляторам относятся такие вещества, как фарфор, керамика, стекло, резина. Их электроны прочно связаны с атомами.

Позже были открыты материалы, чьи свойства не подходили полностью ни под одну из вышеназванных категорий.

Эти вещества получили название полупроводников, хотя они вполне заслуживали и названия «полуизоляторы». Они проводят ток несколько лучше, чем изоляторы, и значительно хуже проводников.

К полупроводникам относится большая группа веществ, среди которых графит, кремний, бор, цезий, рубидий, галлий, кадмий и различные химические соединения – окислы и сульфиды, большинство минералов и некоторые сплавы металлов. Особенно велико значение германия, а также кремния, благодаря которым произошла поистине техническая революция в электротехнике.

Изучение свойств полупроводников начались, когда возникла потребность в новых источниках электричества. Это заставило исследователей обратиться к изучению явлений, связанных с образованием так называемой контактной разности потенциалов. Было замечено, в частности, что многие материалы, не являющиеся проводниками тока, электризуются при соприкосновении между собой. Первые опыты в этом направлении проводились в XIX в. Г. Дэви и А. С. Беккерелем.

Еще одно направление в исследовании полупроводников появилось в процессе изучения проводимости таких веществ, как минералы, соединения металлов с серой и кислородом, кристаллы, различные диэлектрики и т. п. В этих работах исследовалась величина проводимости и влияние на нее температуры. Исследование в середине XIX в. ряда колчеданов и окислов показало, что с увеличением температуры их проводимость быстро возрастает. Многие кристаллы (горный хрусталь, каменная соль, железный блеск) проявляли анизотропию (неодинаковость свойств внутри тела) по отношению к электропроводности. В 1907 г. Пирс открыл униполярную (одностороннюю) проводимость в кристаллах карборунда: их проводимость в одном направлении оказалась примерно в 4000 раз большей, чем в противоположном.

В ходе этих исследований было также установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. В 1907–1909 гг. Бедекер заметил, что проводимость йодистой меди и йодистого калия существенно возрастает, примерно в 24 раза, при наличии примеси йода, не являющегося проводником.

Во II половине XIX в. были открыты еще 2 явления, связанные с полупроводниками – фотопроводимость и фотоэффект.

Было обнаружено, что световые лучи влияют на проводимость отдельных веществ, среди которых особое место занимал селен. Влияние света на проводимость селена впервые открыл в 1873 г. Мэй, о чем сообщил В. Смиту, которому иногда приписывают честь этого открытия.

Необычные свойства селена использовались в ряде приборов. Так, В. Сименс соорудил физическую модель глаза с подвижными веками и с селеновым приемником на месте сетчатой оболочки. Его веки закрывались, когда к нему подносили свечу. Тот же Сименс, используя свойства селена, построил другой оригинальный физический прибор – фотометр с селеновым приемником. Корн пытался построить телефонограф, служащий для передачи изображений на расстояние.

К другому сходному явлению, связанному с действием света на материалы, можно отнести фотоэффект. Впервые это явление открыл в I половине XIX в. А. С. Беккерель. Сущность его наблюдений сводилась к тому, что два одинаковых электрода, помещенные в одном электролите при одинаковых условиях, обнаруживали разность потенциалов, когда на один из них направляли поток света.

В 1887 г. Герц заметил подобное же явление в газовой среде. Он установил, что ультрафиолетовый свет, испускаемый одной искрой, облегчает прохождение разряда в соседнем искровом промежутке, если при этом освещается отрицательный электрод. Наблюдение Герца, изученное затем А. Г. Столетовым, привело к открытию фотоэлектрического эффекта, заключающегося в испускании телами отрицательного электричества под влиянием света.

В радиотехнике вначале нашли применение некоторые окислы, в частности кристаллы цинкита и халькопирита. Было обнаружено, что они обладают свойством выпрямлять электрический ток. Это позволило применять их для детектирования радиосигналов – отделения тока звуковой частоты от несущих сигналов. В первых любительских радиоприемниках начала XX в. для детектирования использовались настоящие полупроводники. Но обращение с ними требовало больших усилий. Для приема сигналов требовалось попасть тонкой иглой в определенную точку на кристалле. Это было целое искусство и те, кто им владел, ценились на вес золота. Замена кристаллов лампами значительно упростила работу радистов.

Низкая надежность работы радиоустройств с большим количеством вакуумных электронных ламп в начале 20-х годов XX в. заставила вспомнить, что кристаллический детектор, подобный углесталистому детектору А. С. Попова, обладает не менее широкими возможностями, чем электронная лампа. В 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев обнаружил возможность получения незатухающих колебаний с помощью полупроводникового кристаллического диода. Свой прибор Лосев назвал кристодином. На его основе ученый создал различные полупроводниковые усилители для радиоприемников.

Многие предрекали, что кристаллы со временем займут место вакуумных ламп. Но в 1920–1930-е гг. этого не произошло. Лампы удовлетворяли тогдашние запросы, постепенно раскрывались их новые достоинства и возможности.

А полупроводниковые кристаллы в то время лишь начали изучать, технологи не имели возможности производить чистые, лишенные примесей кристаллы. Многие годы физики исследовали процессы, протекающие в полупроводниках на уровне микроструктуры, и на основе этих исследований пытались объяснять их свойства. Оказалось, что так же, как и в изоляторах, в полупроводниках все электроны прочно связаны с атомами. Но эта связь непрочна, и при нагреве или под действием света некоторым электронам удается вырваться из притяжения атомов. С появлением свободных электронов электрическая проводимость полупроводников резко возрастает.

В отличие от проводников, носителями тока в полупроводниках могут быть не только электроны, но и «дырки» – места на орбите положительно заряженных частиц – ионов, образовавшихся после потери электрона. Положительный заряд этих частиц стремится захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов. Таким образом, «дырка» путешествует по полупроводнику, переходя от атома к атому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный по значению отрицательному заряду электрона.

Один и тот же полупроводник может обладать либо электронной, либо дырочной проводимостью. Все зависит от химического состава введенных в него примесей. Так, небольшая добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью, так называемый полупроводник n-типа (от лат. negativus – отрицательный). Добавка же алюминия, галлия или индия приводит к избытку «дырок» и образованию дырочной проводимости. Такие проводники называются проводниками р-типа (от лат. positivus – положительный).

Развитие полупроводников в 20–30-е гг. прошлого века позволило создать полупроводниковые приборы, термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические и фотоэлектрические приборы.

В 1929 г. советский ученый А. Ф. Иоффе высказал мысль о возможности получения с помощью термоэлектрического генератора из полупроводников электроэнергии с КПД в 2,5–4 %. Уже в 1940–1941 гг. в Советском Союзе были получены полупроводниковые термоэлементы с КПД в 3 %.

Во второй половине 20-х гг. XX в. были созданы твердые выпрямители переменного тока, представлявшие собой окисленную медную пластинку. Позже их стали делать из селена. Серьезным недостатком первых твердых выпрямителей были большие тепловые потери. Использование новых веществ, в частности германия, позволило резко их снизить. Были созданы опытные образцы выпрямителей переменного тока из германия и аналогичных полупроводниковых материалов с КПД до 98–99 %. Полупроводниковые выпрямители удобны в эксплуатации, поскольку они миниатюрны и прочны, не требуют тока накала, потребляют немного энергии и долговечны.

Изучение свойств кристаллов показало, что выпрямление и детектирование тока происходит не на границе кристалла и металла, а вследствие образования на поверхности кристалла оксидной пленки. Для выпрямления было необходимо, чтобы пленка также обладала полупроводниковыми свойствами. Причем ее проводимость должна была отличаться от проводимости самого кристалла: если кристалл обладал n-проводимостью, то пленка должна иметь р-проводимость – и наоборот. В этом случае кристалл и пленка образуют полупроводниковый вентиль, пропускающий ток только в одну сторону.

Постепенно ученые научились получать чистые кристаллы кремния и германия, добавляя затем в них нужные примеси, создающие необходимый тип проводимости.

В начале Второй мировой войны для обеспечения приема и выпрямления сантиметровых волн в США для радиолокации стали примяться германиевые и кремниевые детекторы, обладавшие большой устойчивостью. Вскоре после войны были разработаны полупроводниковые усилители и генераторы.

1 июля 1948 г. в газете «Нью-Йорк тайме» появилась заметка о демонстрации фирмой «Белл телефон лабораториз» прибора под названием «транзистор». Он представлял собой полупроводниковый триод, несколько напоминавший по конструкции кристаллические детекторы 20-х годов. Транзистор создали физики Дж. Бардин и У. Браттейн. Его устройство было простым: на поверхности пластинки из германия, с одним общим электродом-основанием, были помещены два близко расположенных металлических стержня, один из которых был включен в пропускном, а другой – в запорном направлении. При этом пластинка обладала р-проводимостью, а стержни – n-проводимостью. Концентрация случайных примесей в пластинке германия не превышала 10_6 %.

В 1951 г. У. Шокли создал первый плоскостной триод, в котором контакт между зонами с п– и р-проводимостью осуществлялся по всей торцовой поверхности кристаллов. У него, как и у точечного транзистора, был предшественник. В свое время радиолюбители, чтобы избавиться от необходимости искать необходимую точку на кристаллическом детекторе, решили перейти к плоскостным контактам, создав плоскостной диод. В нем использовались кристаллы цинкита и халькопирита. Но он обладал малой надежностью, поскольку из-за плохой поверхности окислов выпрямление осуществлялось лишь в отдельных точках.

В 1956 г. Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Надежно работающие плоскостные полупроводниковые диоды и триоды были созданы только после изучения свойств полупроводниковых кристаллов и овладения технологией изготовления сверхчистых материалов.

Преимуществом плоскостных контактов по сравнению с точечными является их способность пропускать более сильный ток. Но при этом они имеют значительно большую паразитную емкость, вред которой возрастает с повышением частоты сигналов.

Поэтому плоскостные диоды и триоды применяются для обработки и усиления низкочастотных сигналов, а точечные, называемые также кристаллическими детекторами, для детектирования слабых сигналов высоких и сверхвысоких частот.

Область применения полупроводников не ограничивалась радиотехникой. Еще в 1932 г. А. Ф. Иоффе создал из закиси меди, а затем из селена фотоэлементы, вырабатывавшие при их освещении электрический ток без помощи внешних источников энергии. Однако их КПД при использовании солнечной энергии не превышал 0,05–0,1 %. Но уже перед Великой Отечественной войной в СССР были созданы фотоэлементы из сернистого таллия и сернистого серебра с КПД до 1 %.

В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же году впервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числа кремниевых фотоэлементов. В начале 1955 г. были созданы фотоэлементы с КПД до 6 %. Современные фотоэлементы имеют КПД до 20 % и выше.

Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получают атомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжении многих лет.

На основе полупроводников были созданы фотодиоды. В сочетании с электрическими счетчиками они ведут учет движущихся объектов – от производимых деталей до пассажиров в метро. Приборы, созданные с применением фотодиодов, могут определять бракованные изделия на конвейере и выключать оборудование, если в его опасную зону попадают руки рабочих.

Создание приборов на основе полупроводников произвело в середине XX в. техническую революцию. Дальнейшее их развитие привело к созданию интегральных микросхем, появлению новых поколений электронно-вычислительных машин и персональных компьютеров. Сейчас ни одна область науки и техники не обходится без их применения.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >