Введение
Физика полупроводников имеет большое значение в современном мире.Исследования проводимости различных математиков начали проводиться в XIX веке. Изучение свойствполупроводников началось, когда возникла потребность в новых источникахэнергии. На основе полупроводников были созданы новые приборы:термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические и фотоэлектрические приборы.Полупроводники имеют большую область применения. Помимо радиотехники на основеполупроводников разработаны фотоэлементы, фотодиоды, интегральные схемы. Этовсе привело к появлению новых ЭВМ и ПК.
Видно, что на протяжении XIX–XX веков, физика полупроводников развивается, полупроводникивнедряются в развитие радиотехники и другие отрасли. Эта тема актуальна напротяжении двух столетий. В настоящее время эта тема продолжает изучаться.Сейчас же решаются проблемы физики полупроводников, такие как: гетероструктурыв 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 международнойконференции «Темная материя, темная энергия и гравитационная линзирование» В.Л. Гинзбургом.
Целью моего реферата является – изучить исследованияполупроводников на протяжении с XIX до настоящего времени.
Задачи:
1. Показать вклад выдающихся деятелей в изучение свойствполупроводников и раскрыть основное положения их работ.
2. Раскрыть основные проблемы физики полупроводников в настоящеевремя.
3. Показать область применения полупроводников и их развитие
1. Понятие о полупроводниках
Полупроводники как особый класс веществ, былиизвестны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого телапозволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:
1. эффект выпрямления тока на контактеметалл-полупроводник
2. фотопроводимость
Свойства полупроводников
Полупроводники – широкий класс веществ,характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне междуудельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть этивещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являютсяхорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводникамиэлектрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества какгерманий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавыметаллов.
Полупроводники долгое время не привлекали особоговнимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследованияфизических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам ФедоровичИоффе. Он выяснил что полупроводники – особый класс кристаллов со многимизамечательными свойствами:
1) С повышением температуры удельноесопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которыхудельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем какправило в широком интервале температур возрастание это происходитэкспоненционально.
Удельное сопротивление полупроводниковыхкристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронныхполей.
2) Свойство односторонней проводимости контактадвух полупроводников. Именно это свойство используется при созданииразнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров идр.
3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях приосвещении 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 особыйкласс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи,схематически представленные на рис. 1. Такой идеальный полупроводниксовершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационногооблучения).
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны сатомами, 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 являетсяносителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрацияэлектронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление.Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагреванииобусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковыхвеществах могут быть не только электроны, но и «дырки». При потере электронаодним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место – «дырка»при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка» как положительный зарядперемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей ивосстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей, несущейположительный заряд.
Примесная проводимость.
Один и тот же полупроводник обладает либо электронной, либодырочной проводимостью – это зависит от химического состава введенныхпримесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимостьполупроводников.
Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотнитысяч раз уменьшить их сопротивление. Этот факт, с одной стороны, указывает навозможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, онсвидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковыхматериалов с заданными характеристиками.
Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимостьполупроводников, следует рассматривать два случая:
Электронная проводимость.
Добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьякаили сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостьюили полупроводник n – типа (от латинского слова «негативус» –«отрицательный»).
Дырочная проводимость
Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает вкристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочнойпроводимостью – полупроводник p – типа.
Дырочная примесная электропроводимость создется атомами имеющимименьшее количество валентных электронов, чем основные атомы. На рис. 4схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К всесвязи укомплектованны, только у бора не хватает одной связи (см рис. 4а).Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счетэлектронов соседних атомов (см рис. 4б).
Подобные примеси называются акцепторными.
2. Жидкие полупроводники
Плавление многих кристаллических полупроводников сопровождаетсярезким увеличением их электропроводности Q до значений типичных для металлов (смрис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т.д.) характерносохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характератемпературной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшемповышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретаютметаллические (например, сплавы Te – Se, ботатые Te). Сплавы же Te – Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чистополупроводниковый характер.
В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет областьэнергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектреэлектронов.
При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляеся зонапочти 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, принятоназывать такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешнихусловий – температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такиедиэлектрики 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 жематериал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так,сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкойграницы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал взависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивногоизолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента.
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтаннойполяризацией, направление которой может быть изменено с помощью /> /> /> /> /> /> /> />
внешнего электрического поля.
В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, какправило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопическиеобласти, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиковтакже имеются домены – области спонтанного намагничивания, поэтому поведениесегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков вмагнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками иферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое полеменяется вектор электрического смещения D = E + P, а уферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I.
За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками, посколькусегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.
Отечественное название – сегнетоэлектрики произошло от сегнетовойсоли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC4H4O6).Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтаннаяполяризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовымсовместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века.Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовленияразличных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее времясегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости инизких механических свойств. Очень интенсивно начали развиватьсяфундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом(1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO3.
На примере BаTiO3 рассмотрим структуру и свойствасегнетоэлектриков.
Химические связи в BаTiO3 ионно-ковалентные. Титанат бариякристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такоготипа можно представить следующим образом: основу структуры составляюткислородные 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 радиусовионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободуперемещения в кислородном октаэдре.
При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титанадостаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного ионакислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится вцентре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной – кубической.
Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии ионатитана и при некоторой температуре (ниже 120 °С) он локализуется вблизиодного из ионов кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженныхчастиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. Всоседней элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсуобразовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятсяспонтанно поляризованными.
Одновременно со спонтанной поляризацией идет деформациякристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической.
Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри)сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется ихкристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят впараэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной.Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принятоназывать фазовым переходом.
Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем,что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованыв одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическоеполе. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для сниженияэнергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.
Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решеткиуменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризациясоседних кристаллических решеток, сравнительно мало. Такими направлениями будутнаправления типа . Соответственно соседние домены могут бытьразориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрическиемоменты соседних доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целомкристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.
Важно отметить, что на границах доменов происходит постепенныйповорот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, какпроисходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходствосегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектрикахвзаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так же, как иферромагнетиках.4. Рождениеполупроводникового диода
Важными явились работы немецкого физика К.Ф. Брауна по исследованиюпроводимости целого ряда полупроводников, сернистого цинка, перекиси свинца,карборунда и других, проведенные в течении 1906 г. В результатеисследований была обнаружена односторонняя проводимость полупроводников. Этопослужило толчком к созданию кристаллического детектора только не К.Ф. Брауном,аамериканским генералом Х. Дамвуди (H.H. Dunwody) в том же 1906 г.
Нобелевская речь К.Ф. Брауна называлась «Моиработы по беспроволочной телеграфии и электрооптике». Впоследствии она былаиздана отдельной книгой в России, в Одессе в 1910 г.
На некоторое время кристаллический детектор уступил свое место врадиоприемнике электронной лампе. Двухэлектродная лампа, используемая дляпреобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой) частоты, врадиоприемной и измерительной аппаратуре носит название диод-детектор. Широкоевнедрение в радиотехнику электронных ламп не остановило исследований посовершенствованию кристаллических детекторов.
В 1919 году совершенствованием детектораувлексямолодойрадиолюбитель Олег Владимирович Лосев. Мечтая посвятить жизнь радиотехнике, онначал с того, чтоеще совсем юным поступил рассыльным на первуюв нашей стране Нижегородскую радиолабораторию. Здесь заметилилюбознательного и талантливого юношу. Сотрудники лаборатории помогли ему пополнитьобразование, и вскоре Лосев приступил к самостоятельной научной работе.
В феврале 1922 г. 19-летний научный сотрудник Нижегородскойлаборатории Олег Лосев результате целенаправленного исследования обнаружилкороткий подающий участок вольтамперной характеристики кристаллическогодетектора, используя который, можно приводить к самовозбуждению колебательныйконтур. Он сконструировал радиоприемник с генерирующим кристаллом, названный 'Кристадином',что означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемникаиспользовалось пара 'цинкит – угольная нить', на которую подавалось постоянноенапряжение порядка 10В. Он установил, что основным условием генерирования иусиления такой пары есть отрицательное сопротивление контактной пары детектора.Позже вместо цинкита стали использовать галенит. Для того времени открытиеЛосева было очень важным. Ведь обычный детекторный приемник давал возможностьслушать лишь близкие станции. Дальний прием, особенно в городах, где многопомех и трудно устроить высокую и длинную антенну, оказывался практическиневозможным.
Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, нетребуя за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странахрадиолюбители принялись строить приемники по его схемам.
9 марта 1927 г. О. Лосев сообщил о результатах исследований детекторной пары«карборунд – стальная игла». Он обнаружил слабое свечение на стыке исследуемойпоры разнородных материалов при прохождении через нее тока.
Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являютсяважнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов и излучателейинфракрасногосвета. Только после освоения производство полупроводниковначалось использование эффекта свечения О. Лосева.
Прошло более 30 лет, прежде чем кристаллический детекторвернулся на свое место. За это время были выяснены принципы работыполупроводников и наложено их производство. Сейчас промышленность выпускаетбольшой ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификацииони носят название полупроводниковых точечных диодов. При их изготовлениииспользуют метод электрической формовки, т.е. мощные кратковременные импульсытоков пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, окончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность.В области контакта образуется маленький полусферический р-п-переход. Такиедиоды имеют устойчивые электрические параметры.
Так как в настоящее время ламповые диоды используются очень редкои наибольшее распространение получили полупроводники, то полупроводниковыедиоды называют просто диодами. Сравнение вольтамперных характеристик вакуумногои полупроводникового диодов показывает, что в области прямого напряженияхарактеристика полупроводникового диода напоминает ламповую. Разница лишь в том, что один и тот же токдля полупроводникового диода получается при значительно меньших напряжениях.Это и является преимуществом полупроводниковых диодов при использовании их ввыпрямителях. Недостаток полупроводникового диода – наличие обратного тока,хотя и небольшого по сравнению с прямым током. Диоды, используемые в схемахвыпрямления, называют также вентилями.
В 1926 г. был предложен полупроводниковыйвыпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители изселена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) впериод второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в областиполупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ наоснове кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды.
Полупроводниковые приборы быстро и широкораспространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства.
В 1957 г. класс диодов пополнился новыми приборами – управляемымиполупроводниковыми вентилями. Международная электротехническая комиссия (МЭК) дала им название тиристоры. Слово «тиристор»состоит из двух слов: греческого thyra – дверь, вход и английского resistor – сопротивление.Тиристоры представляют класс полупроводниковых приборов, который подразделяетсяна диодные (динисторы), триодные (тринисторы), запираемые и симметричные(симисторы).
5. История развития полупроводников
После изобретения в 1904 г. Дж. Флемингомдвухэлектродной лампы-диода и Л. Де Форестом в 1906 г.трехэлектродной лампы-триода в радиотехнике произошла революция. Этиизобретения позволили усиливать не только телеграфные сигналы, но и перейти крадиотелефонии – передаче по радио человеческого голоса. Помимо этого, онипозволили усиливать высокочастотные колебания.
Началось бурное развитие радиотехники. Но одновременно с нимвыявились недостатки применения вакуумных электронных приборов. Электроннаялампа имеет небольшой срок службы. Приняв средний срок службы лампы за 500часов, при количестве ламп в одном устройстве 2000 штук в среднем каждые 15минут следовало бы ожидать отказа по крайней мере 1 лампы. Для обнаружениянеисправности следовало проверить как минимум несколько сотен ламп. Самойуязвимой частью ламп является нить накала. При включении и выключении приборанить поочередно раскаляется и охлаждается, что повышает вероятность ееперегорания. Для разогрева лампы требуется мощность в сотые доли ватта.Помноженная на количество ламп потребная мощность достигает нескольких сотен, аиногда тысяч ватт.
Недостатки электронных ламп особенно остро выявились в конце 40-х–начале 50-хгг. прошлого века с появлением первых электронно-вычислительных машин. Ихнадежность и размеры определялись именно размерами, энергетической емкостью инадежностью 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 свойствапобудили к поиску способов устранения недостатков полупроводников.
Исследования проводимости различных материалов началисьнепосредственно в XIX в. сразу после открытия гальванического тока.
Первоначально их делили на две группы: проводники электрическоготока и диэлектрики, или изоляторы. К первым относятся металлы, газы и растворысолей. Их способность проводить ток объясняется тем, что их электронысравнительно легко отрываются от атома. Особый интерес представляли те из них,которые обладали низким электрическим сопротивлением и могли применяться дляпередачи 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 полностьюни под одну из вышеназванных категорий.
Эти вещества получили название полупроводников, хотя они вполнезаслуживали и названия «полуизоляторы». Они проводят ток несколько лучше, чемизоляторы, и значительно хуже проводников.
К полупроводникам относится большая группа веществ, среди которыхграфит, кремний, бор, цезий, рубидий, галлий, кадмий и различные химическиесоединения – окислы и сульфиды, большинство минералов и некоторые сплавыметаллов. Особенно велико значение германия, а также кремния, благодаря которымпроизошла поистине техническая революция в электротехнике.
Изучение свойств полупроводников начались, когда возникла потребность в новыхисточниках электричества. Это заставило исследователей обратиться к изучениюявлений, связанных с образованием так называемой контактной разностипотенциалов. Было замечено, в частности, что многие материалы, не являющиесяпроводниками тока, электризуются при соприкосновении между собой. Первые опытыв этом направлении проводились в XIX в. Г. Дэви и A.G. Беккерелем.
Еще одно направление в исследовании полупроводников появилось впроцессе изучения проводимости таких веществ, как минералы, соединения металловс серой и кислородом, кристаллы, различные диэлектрики и т.п. В этих работахисследовалась величина проводимости и влияние на нее температуры. Исследованиев середине XIX в. ряда колчеданов и окислов показало, что с увеличениемтемпературы их проводимость быстро возрастает. Многие кристаллы (горныйхрусталь, каменная соль, железный блеск) проявляли анизотропию (неодинаковостьсвойств внутри тела) по отношению к электропроводности. В 1907 г. Пирсоткрыл униполярную (одностороннюю) проводимость в кристаллах карборунда: ихпроводимость в одном направлении оказалась примерно в 4000 раз большей, чем впротивоположном.
В ходе этих исследований было также установлено, что существенноевлияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. В1907–1909 гг. Бедекер заметил, что проводимость йодистой меди и йодистогокалия существенно возрастает, примерно в 24 раза, при наличии примеси йода, неявляющегося проводником.
Во II половине XIX в. были открыты еще 2 явления, связанные сполупроводниками – фотопроводимость и фотоэффект.
Было обнаружено, что световые лучи влияют на проводимостьотдельных веществ, среди которых особое место занимал селен. Влияние света напроводимость 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. Сименссоорудил физическую модель глаза с подвижными веками и с селеновым приемникомна месте сетчатой оболочки. Его веки закрывались, когда к нему подносили свечу.Тот же Сименс, используя свойства селена, построил другой оригинальныйфизический прибор – фотометр с селеновым приемником. Корн пытался построитьтелефонограф, служащий для передачи изображений на расстояние.
К другому сходному явлению, связанному с действием света наматериалы, можно отнести фотоэффект. Впервые это явление открыл в I половинеXIX в. А.С. Беккерель. Сущность его наблюдений сводилась к тому, чтодва одинаковых электрода, помещенные в одном электролите при одинаковыхусловиях, обнаруживали разность потенциалов, когда на один из них направлялипоток света.
В 1887 г. Герц заметил подобное же явление в газовой среде.Он установил, что ультрафиолетовый свет, испускаемый одной искрой, облегчаетпрохождение разряда в соседнем искровом промежутке, если при этом освещаетсяотрицательный электрод. Наблюдение Герца, изученное затем А.Г. Столетовым,привело к открытию фотоэлектрического эффекта, заключающегося в испусканиителами отрицательного электричества под влиянием света.
В радиотехнике вначале нашли применение некоторые окислы, вчастности кристаллы цинкита и халькопирита. Было обнаружено, что они обладаютсвойством выпрямлять электрический ток. Это позволило применять их длядетектирования радиосигналов – отделения тока звуковой частоты от несущихсигналов. В первых любительских радиоприемниках начала XX в. длядетектирования использовались настоящие полупроводники. Но обращение с нимитребовало больших усилий. Для приема сигналов требовалось попасть тонкой иглойв определенную точку на кристалле. Это было целое искусство и те, кто имвладел, ценились на вес золота. Замена кристаллов лампами значительно упростилаработу радистов.
Низкая надежность работы радиоустройств с большим количествомвакуумных 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 возможностьполучения незатухающих колебаний с помощью полупроводникового кристаллическогодиода. Свой прибор Лосев назвал кристодином. На его основе ученый создалразличные полупроводниковые усилители для радиоприемников.
Многие предрекали, что кристаллы со временем займут местовакуумных ламп. Но в 1920–1930-е гг. этого не произошло. Лампы удовлетворялитогдашние 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 науровне микроструктуры, и на основе этих исследований пытались объяснять ихсвойства. Оказалось, что так же, как и в изоляторах, в полупроводниках всеэлектроны прочно связаны с атомами. Но эта связь непрочна, и при нагреве илипод действием света некоторым электронам удается вырваться из притяженияатомов. С появлением свободных электронов электрическая проводимость полупроводниковрезко возрастает.
В отличие от проводников, носителями тока в полупроводниках могутбыть не только электроны, но и «дырки» – места на орбите положительнозаряженных частиц – ионов, образовавшихся после потери электрона. Положительныйзаряд этих частиц стремится захватить недостающий электрон у одного из соседнихатомов. Таким образом, «дырка» путешествует по полупроводнику, переходя отатома к атому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный позначению отрицательному заряду электрона.
Один и тот же полупроводник может обладать либо электронной, либодырочной проводимостью. Все зависит от химического состава введенных в негопримесей. Так, небольшая добавка в германий примесей, богатых электронами,например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электроннойпроводимостью, так называемый полупроводник n-типа (от лат. negativus – отрицательный).Добавка же алюминия, галлия или индия приводит к избытку «дырок» и образованиюдырочной проводимости. Такие проводники называются проводниками р-типа (от лат.positivus – положительный).
Развитие полупроводников в 20–30-е гг. прошлого века позволилосоздать полупроводниковые приборы, термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрическиеи фотоэлектрические приборы.
В 1929 г. советский ученый А.Ф. Иоффе высказал мысль овозможности получения с помощью термоэлектрического генератора изполупроводников электроэнергии с КПД в 2,5–4%. Уже в 1940–194.1 гг. в СоветскомСоюзе были получены полупроводниковые термоэлементы с КПД в 3%.
Во второй половине 20-х гг. XX в. были созданы твердыевыпрямители переменного тока, представлявшие собой окисленную медную пластинку.Позже их стали делать из селена. Серьезным недостатком первых твердыхвыпрямителей были большие тепловые потери. Использование новых веществ, вчастности германия, позволило резко их снизить. Были созданы опытные образцывыпрямителей переменного тока из германия и аналогичных полупроводниковыхматериалов с КПД до 98–99%. Полупроводниковые выпрямители удобны вэксплуатации, поскольку они миниатюрны и прочны, не требуют тока накала,потребляют немного энергии и долговечны.
Изучение свойств кристаллов показало, что выпрямление идетектирование тока происходит не на границе кристалла и металла, а вследствиеобразования на поверхности кристалла оксидной пленки. Для выпрямления былонеобходимо, чтобы пленка также обладала полупроводниковыми свойствами. Причемее проводимость должна была отличаться от проводимости самого кристалла: есликристалл обладал п-проводимостью, то пленка должна иметь р-проводимость – инаоборот. В этом случае кристалл и пленка образуют полупроводниковый вентиль,пропускающий ток только в одну сторону.
Постепенно ученые научились получать чистые кристаллы кремния игермания, добавляя затем в них нужные примеси, создающие необходимый типпроводимости.
В начале Второй мировой войны для обеспечения приема и выпрямлениясантиметровых волн в США для радиолокации стали примяться германиевые икремниевые детекторы, обладавшие большой устойчивостью. Вскоре после войны былиразработаны полупроводниковые усилители и генераторы.
1 июля 1948 г. в газете «Нью-Йорк тайме» появилась заметка одемонстрации фирмой «Белл телефон лабораториз» прибора под названием«транзистор». Он представлял собой полупроводниковый триод, нескольконапоминавший по конструкции кристаллические детекторы 20-х годов. Транзисторсоздали физики Дж. Бардин и У. Браттейн. Его устройство было простым:на поверхности пластинки из германия, с одним общим электродом-основанием, былипомещены два близко расположенных металлических стержня, один из которых былвключен в пропускном, а другой – в запорном направлении. При этом пластинкаобладала р-проводимостью, а стержни – n-проводимостью. Концентрация случайныхпримесей в пластинке германия не превышала 10'6%.
В 1951 г. У. Шокли создал первый плоскостной триод, вкотором контакт между зонами с п- и р-проводимостью осуществлялся по всейторцовой поверхности кристаллов. У него, как и у точечного транзистора, былпредшественник. В свое время радиолюбители, чтобы избавиться от необходимостиискать необходимую точку на кристаллическом детекторе, решили перейти кплоскостным контактам, создав плоскостной диод. В нем использовались кристаллыцинкита и халькопирита. Но он обладал малой надежностью, поскольку из-за плохойповерхности окислов выпрямление осуществлялось лишь в отдельных точках.
В 1956 г. Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены Нобелевскойпремии по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторногоэффекта.
1947 год. В современном понимании полупроводниковая техника сталабурно развиваться в середине XX века. Многие выдающиеся ученые внесли свойвклад в данное направление, однако создателями первого транзистоа, в 1947 году,стали американцы Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытиестало началом полупроводниковой эры, родившей огромное количество типов диодови транзисторов, а позднее – интегральных микросхем.
1948–1950 годы. Не только в США, но и в других странах шли научныеисследования в области полупроводников. Так физик В.Е. Лошкарев еще в 1946году открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках.Разработка инженером А.В. Красиловым и его группой германиевых диодов длярадиолокационных станций. Во Фрязино (Моск. обл.) в НИИ-160 (НИИ «Исток»). А.В. Красиловыми С.Г. Мадоян впервые наблюдался транзисторный эффект. Создателиотечественного транзистора А.В. Красилов и С.Г. Мадоян опубликовалипервую в СССР статью о транзисторах под названием «Кристаллический триод».Лабораторные образцы германиевых транзисторов были разработаны Б.М. Вулом,А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др. (ФИАН), В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым(ЛФТИ), С.Г. Калашниковым, Н.А. Пениным и др. (ИРЭ АН СССР).
1955 год. Изобретатель транзистора Уильям Шокли (William Shockley)основал в Санта–Кларе компанию Shockley Semiconductor Laboratories и привлек внее 12 молодых ученых, занимавшихся в разных фирмах германиевыми и кремниевымитранзисторами. К сожалению коллектив просуществовал не долго, буквально черездва года 8 ученых покинули компанию.
1956 год. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн былиудостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников иоткрытие транзисторного эффекта». На церемонии презентации Э.Г. Рудберг,член Шведской королевской академии наук, назвал их достижение «образцомпредвидения, остроумия и настойчивости в достижении цели».
1957 год. Ученые, покинувшие компанию Shockley SemiconductorLaboratories, объединяют личные средства и приступают к разработке технологиимассового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии ихимического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на однойпластине сразу сотни транзисторов. Имена большинства этих людей стали вдальнейшем знаковыми для электронной отрасли: Гордон Мур (Gordon E. Moore),Шелдон Робертс (C. Sheldon Roberts), Евгений Клайнер (Eugene Kleiner), РобертНойс (Robert N. Noyce), Виктор Гринич (Victor H. Grinich), Джулиус Бланк(Julius Blank), Джин Хоерни (Jean A. Hoerni) и Джей Ласт (Jay T. Last). Длясерьезной работы собранных средств было совершенно недостаточно и тогда вкачестве инвестора выступила компания Fairchild Camera and Instrument и 1октября 1957 года была основана компания FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. А уже черезполгода FAIRCHILD SEMICONDUCTOR получила первую прибыль – компания IBM закупила100 транзисторов по цене $150 за штуку.
1958 год. К тому времени разработками полупроводников независимозанимались несколько компаний. Ученых объединял один вопрос: «Как в минимумместа вместить максимум компонентов?». Роберт Нойс из Fairchild SemiconductorCorporation и Джек Килби, работающий в Texas Instruments изобрели практическиидентичную модель интегральной схемы. Разница состояла в том, что Килбивоспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний.
1959 год. Роберт Нойс и Джек Килби отдельно друг от друга получилипатенты на свои изобретения – началось противостояние двух компаний, котороезакончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производствочипов.
60-е годы. Fairchild Semiconductor Corporation пустила чипы всвободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов икомпьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшитьразмер и увеличить производительность. Вообще, начало 60-х это сильный подъем вполупроводниковой отрасли. Многие инженеры и ученые, стоявшие у истоковсоздания полупроводников начинают основывать собственные фирмы. Так ДжинХоерни, Евгений Клайнер, Джей Ласт и Шелдон Робертс в 1961 году основаликомпанию Amelco, из которой в последствии «выросли» Intersil, Maxim и Ixys. В1967 Чарли Спорк уходит в National Semiconductor. В 1968 году Гордон Мур иРоберт Нойс основали Intel. В том же году Виктор Гринич основывает собственнуюкомпанию Escort Memory Systems.
В СССР в 1963 году создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. Инженер Ф.А. Щигольразработал планарный транзистор 2Т312 и его бескорпусной аналог 2Т319, ставшийосновным активным элементом гибридных схем. В 1964 году на заводе «Ангстрем» приНИИ точной технологии созданы первые интегральные схемы ИС – «Тропа» с 20элементами на кристалле, выполняющие функцию транзисторной логики с резистивнымисвязями. В НИИМЭ в Зеленограде создана технология и начат выпуск первыхпланарных транзисторов «Плоскость». Под руководством Б.В. Малина в НИИ-35(ныне НИИ «Пульсар») была создана первая серия кремниевых интегральных схем ТС-100(степень интеграции – 37 элементов на кристалле). В 1966 году в НИИ «Пульсар» началработать первый экспериментальный цех по производству планарных интегральныхсхем. В НИИМЭ под руководством доктора наук К.А. Валиева начат выпусклогических и линейных интегральных схем. В 1968 НИИ «Пульсар» выпустил партиюпервых гибридных тонкопленочных ИС с планарными бескорпусными транзисторамитипов КД910, КД911, КТ318, предназначенных для телевидения, радиовещания исвязи. В НИИ МЭ разработаны цифровые и линейные ИС массового применения (серия155). В 1969 году физик Ж.И. Алферов сформулировал и практическиреализовал свои идеи управления электронными и световыми потоками вклассических гетероструктурах на основе системы арсенид галлия-арсенидалюминия.
70-е годы. Последующее десятилетие отметилось дальнейшим ростомрынка электронных компонентов. Строились заводы по производству микросхем,образовывались новые компании. Старые компании постепенно перепрофилировались всоответствии с новыми требованиями времени, переходя от производства ламп кпроизводству полупроводников, номенклатура которых постоянно расширяется – этоаналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ транзисторы и тиристоры. Такнапример, кампания ANALOG DEVICES, начав в 1965 году со штатом в 45 человек,активно развиваясь, к 1974 году увеличила число сотрудников до 894, а в 1979году стала публичной, выпустив на рынок свои акции. Компания MOTOROLA, начинаясвой бизнес в 30-х годах с производство автомобильных радиоприемников, в 1974году выпускает на рынок микроконтроллер MC6800, который на долгие годыстановится №1 в автомобильной и бытовой электронике.
Что касается СССР, к сожалению не было развития в сторну массовогопроизводства, однако наука на месте не стояла и к началу 1970 года в страненасчитывалось 69 серий интегральных схем, из которых 7 серий – по МОПтехнологии, 32 серии – по биполярной технологии. В 1973 – созданы интегральныесхемы для наручных часов со степенью интеграции 1500 транзисторов на кристаллразмером 2x2 мм2. Под руководством Э.Е Иванова на заводе «Ангстрем»за пять месяцев был разработан и выпущен калькулятор на основе собственных БИС,а в 1974 году в научном центре на заводе «Ангстрем» под руководством В.Л. Дшхунянасозданы первые отечественные микропроцессоры. В 1975 году организованпромышленный выпуск цифровых ИС серий 100 и 500 с быстродействием 2 нс для ЭВМ «Эльбрус-2»,создана БИС ЗУ динамического типа емкостью 4 Кбит.К середине 70-х быладостигнута степень интеграции 20 000 транзисторов на кристалл, а к концудесятилетия создана первая однокристальная микро-ЭВМ, эквивалентная мини-ЭВМ.
70-е годы были отмечены еще одним знаковым событием. К томувремени стало очевидно, что при постоянном росте сложности интегральных схемзадача их промышленной разработки без создания средств компьютерной автоматизациибудет попросту нереализуема. Появились инструменты автоматизации, которыесейчас объединены в рамках EDA (Electronic Design Automation). Поначалу онибыли представлены средствами CAE (Computer Aided Engineering) – дляразработчика принципиальных схем и средствами CAD (Computer Aided Design) – дляинженера-конструктора. Самой серьезной проблемой для разработчиков ранних ИСбыло отсутствие возможности создания физического прототипа разрабатываемогоустройства. Ошибки, допущенные при проектировании принципиальной схемыустройства, обнаруживались только после изготовления интегральной схемы. Приобнаружении ошибки нужно было менять проект, заново создавать комплектфотошаблонов и повторять весь производственный цикл. Для решения этой проблемыв 70-е годы в университете Беркли (Berkeley), который входил в число лидеровразработки средств компьютерного инжиниринга (CAE), была разработана программаSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Предназначаласьона для моделирования ИС на электрическом уровне и позволяла проверятьправильность работы схемы на уровне виртуальной компьютерной модели. Этапрограмма и по сей день используется для моделирования аналоговых схем. По мерераспространения цифровых схем, для проверки правильности функционирования сталиразрабатывать и использовать средства логического моделирования. Одной изпервых таких программ была система Hi-Lo.
80 годы. Десятилетие 80-х, несмотря на спад в электроннойпромышленности США, также отмечены успехами в этой области. Под руководствомГордона Кэмпбелла создается первая 64k (8096х8) EEPROM с единственнымнапряжением питания +5 В. 80-е годы стали временем «второй волны» в мировойэлектронной промышленности. Именно тогда появились такие компании как Cypress,Seeq, Sierra, Maxim, Atmel, Xilinx, Linear Technology «вышедшие» в большинствесвоем из компаний «первой волны» – NatSemi, Intel, Signetics, AMD.
В Советском Союзе в 1980 году заводом «Микрон» изготовлена 100 000000 интегральная схема. В 1983 году в НИИМЭ организован промышленный выпускбазовых матричных кристаллов БМК И-200 и БМК И-300 для отечественных ЭВМ. В1984 в НИИТТ был разработан первый персональный компьютер ДВК-1, а на заводе «Ангстрем»он стал выпускаться серийно. В 1985 году в НИИМЭ получены тестовые образцыкристаллов ИС с топологической нормой 0,5 мкм. с использованиемэлектронно-лучевой литографии. Во второй половине 80-х годов создан первый 32-разрядныймикропроцессор и налажен выпуск СБИС памяти емкостью 1 М.
Что касается САПР, то в начале 80-х годов компании Daisy, Valid иMentor Graphics разработали свои системы на базе рабочих станций (Sun, Apollo),в рамках которых объединялись ввод принципиальной схемы, система моделированияи средства конструкторского проектирования. Таким образом, произошло объединениесредств САЕ и CAD. В 1985 году эти фирмы с большим успехом вышли на мировойрынок. Это и было рождением индустрии EDA.
90 годы. Это десятилетие характеризуется дальнейшим наращиваниемобъемов производства полупроводников, происходит все большая степень интеграциимикросхем. Бурный рост персональной компьютерной техники приводит к разработкамсложных специализированных устройств. Крупные корпорации выводят своепроизводство в Китай и страны Юго-Восточной Азии. Совсем по-другому обстоятдела в нашей стране. Государственное финансирование снизилось до минимума. Рядведущих предприятий электроники – на грани закрытия, другие послеакционирования утратили производственный профиль деятельности. Эффективноработающие предприятия составляют всего несколько процентов от общегоколичества. К середине 90-х годов российская электроника имела годовые объемывложений 150 млн. долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. ВРоссии только на заводах «Ангстрем» и «Микрон» в Зеленограде можно производить СБИСс топологической нормой 1,2 мкм. В 1997 Правительством создана холдинговаякомпания «Российская электроника», в которую вошли 32 предприятия инаучно-исследовательских институтов бывшей электронной промышленности. Назаводе «Микрон» введена производственная линия по выпуску СБИС с проектныминормами 0,8 мкм. на пластинах 150 мм. В НИИМЭ разработана элементная базаБиКМОП ИС на основе самосовмещенной технологии. В 1998 году на СП «Корона» начатопромышленное производство СБИС на пластинах кремния диаметром 150 мм стопологическими нормами 0,8 мкм. И пожалуй самое замечательное событиепроизошло на порого нового тысячелетия. В 2000 году академик Ж.И. Алферовудостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году – заосновополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий,в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытиеидеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, созданиеполупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первыхбиполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.
В настоящее время главенствует направление микроминиатюризацииполупроводниковых приборов. Последние достижения таковы: в США, в 2006 годусоздан транзистор из одиночной молекулы углерода. И уже в том же, 2006 году,ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральнуюмикросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевыхчастотах. Вполне вероятно, что развитие наноэлектроники будет связано ссопоставимой по масштабу оптимизацией, аналогичной уменьшению микроэлектроннойкомпонентной базы в 60-е годы минувшего столетия. Возможно, что на основеинтегрированных наноэлектронных чипов возникнет совершенно новая элементнаябаза, которая будет отличаться высокой компактностью, низким энергопотреблениеми невиданным ранее быстродействием.
6. Открытие сегнетоэлектриков
В1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация.Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC4H4O6·4H2O),а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики(или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойствэтих веществ было проведено в 1930–1934 гг. И.В. Курчатовым вленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкуюанизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться тольковдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всехмолекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, векторполяризации /> вразных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотенсегнетоэлектриков.
7. Открытие пьезоэлектриков
В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что принагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. Вдальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрическогоэффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений,наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двухповерхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений.Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённыхконцах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинусподошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффектв кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри,наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных приопределённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов поддействием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическомунапряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образованиеэлектростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновениеэлектрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряженияназывают прямым пьезоэлектрическим эффектом. Наряду с прямым существуетобратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине,вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформацияпод действием приложенного к ней электрического поля; причём величинамеханической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлениемэлектрострикции, т.е. с деформацией диэлектрика под действием электрическогополя. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичнаязависимость, а при пьезоэффекте – линейная. Кроме того, электрострикциявозникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах.
8. Применение полупроводников
Надежно работающие плоскостные полупроводниковые диоды и триодыбыли созданы только после изучения свойств полупроводниковых кристаллов иовладения технологией изготовления сверхчистых материалов.
Преимуществом плоскостных контактов по сравнению с точечнымиявляется их способность пропускать более сильный ток. Но при этом они имеютзначительно большую паразитную емкость, вред которой возрастает с повышениемчастоты сигналов.
Поэтому плоскостные диоды и триоды применяются для обработки иусиления низкочастотных сигналов, а точечные, называемые также кристаллическимидетекторами, для детектирования слабых сигналов высоких и сверхвысоких частот.
Область применения полупроводников не ограничиваласьрадиотехникой. Еще в 1932 г. А.Ф. Иоффе создал из закиси меди, азатем из селена фотоэлементы, вырабатывавшие при их освещении электрический токбез помощи внешних источников энергии. Однако их КПД при использованиисолнечной энергии не превышал 0,05–0,1%. Но уже перед Великой Отечественнойвойной в СССР были созданы фотоэлементы из сернистого таллия и сернистогосеребра с КПД до 1%.
В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же годувпервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числакремниевых фотоэлементов. В начале 1955 г. были созданы фотоэлементы с КПДдо 6%. Современные фотоэлементы имеют КПД до 20% и выше.
Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получаютатомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжениимногих лет.
На основе полупроводников были созданы фотодиоды. В сочетании сэлектрическими счетчиками они ведут учет движущихся объектов – от производимыхдеталей 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 серединеXX в. техническую революцию. Дальнейшее их развитие привело к созданиюинтегральных микросхем, появлению новых поколений электронно-вычислительныхмашин и персональных компьютеров. Сейчас ни одна область науки и техники необходится без их применения.9. Физика полупроводников и нанотехнологии
Уважаемыеколлеги! В последнее время у нас в стране и во всем мире очень большое вниманиеуделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии и даже,как говорят, нанонауки. Я думаю, что все работы, которые ведутся в областинаноструктур, а также развитие этих исследований связаны, прежде всего, с тем,что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого рядасовершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собойочень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводниковэтот процесс, возможно, начался даже раньше, чем в других областях.
Можносказать, что развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевыхинтегральных схем с физической точки зрения, – это, по сути, то же, что былосделано в конце 40-х – начале 50-х гг.: поскольку основой является полевой ибиполярный транзистор, и все главные физические явления – это те, что былиизучены и исследованы уже тогда. Вместе с тем, произошли гигантские,драматические изменения, и связаны они с уменьшением размеров, а также свыполняющимся до сих пор законом Мура. Тем не менее, технология и техникалитографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральныхсхем, исчисляемому 45–60 нанометрами. Поэтому уже много лет говорится о том,что наступят принципиальные изменения, когда дальнейшее уменьшениетопологического размера станет невозможным.
Нона самом деле процесс по-прежнему идет. Но я хотел бы остановиться на другомчрезвычайно важном направлении в развитии современной полупроводниковойэлектроники и физики. Это направление, связанное с использованиемполупроводниковых гетероструктур, которые, кстати сказать, сегодня оченьактивно используются и в решении проблем кремниевых интегральных схемультрамалых размеров, особенно что касается решения принципиальной проблемымест соединений. В области физики полупроводниковых гетероструктурнанотехнология и основные физические явления, связанные с появлением малыхразмеров, а также принципиально новых свойств, были открыты более трех десятковлет назад.
Одиниз наших коллег, замечательный японский физик Лио Исаки внес в развитие этойобласти физики огромный конкретный вклад. Стоит заметить, что так называемыеполупроводниковые сверхрешетки впервые были предложены в 62 г. (перваяпубликация в этой области принадлежит Л.В. Келдышу: к сожалению, онпредставил практически неэффективный способ получения сверхрешеток путемприложения сильных ультразвуковых полей к поверхности кристаллов). В 70 г. ЛиоИсаки создавал первые полупроводниковые решетки, используя ужеполупроводниковые гетероструктуры. Японский ученый дал, с моей точки зрения,блестящее определение, которое, я думаю, чрезвычайно четко отражает сущностьиспользования нанотехнологии, наноструктур в целом: он сказал ополупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от«God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие откристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые влаборатории, – это, в конечном счете, и германий, и кремний, иполупроводниковые соединения А3Б5, А2Б6, и многие другие. Это кристаллы,сделанные Богом, потому что независимо от того, получены ли они в лаборатории,получены ли они в природе, – их свойства определены.
Чтокасается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малыхразмерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняетемассу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаетематериалы, которых в природе не существует, которые Бог – по тем или инымпричинам – не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах выпринципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря,реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были полученыпервые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашейлаборатории – и это направление стало бурно развиваться.
Нопотом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах приисследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым сдлиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерныеявления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. Истало возможным существование тех кристаллов, которые получили название«квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия – «квантовыеточки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включаяквантовые точки нуль-размерных электронных систем.
Яхотел бы подчеркнуть, что практически все достижения физики полупроводников,которые имеют отношение к развитию наноструктур ультрамалых размеров, связаны,прежде всего, с развитием технологии. Я думаю, что это чрезвычайно важно длявсего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий,информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитиефизических исследований стало возможным по-настоящему только после того, кактехнология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла насовершенно другой уровень.
Посколькуя вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведениесистематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х – начале30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам,«полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Япомню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделатьполупроводниковое устройство для первой советской атомной лодки, говорил:«Жорес, а они работать-то будут?» Ведь считалось, что это полупроводниковая«кухня» и один образец может сильно отличаться от другого.
Ситуациякардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой икремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивалиисследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практическивсе, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитиемтехнологии.
Еслиговорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, преждевсего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковыхструктур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалосьдостичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктурыс размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология такназываемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур израстворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается оченьпросто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, вкотором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе,и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры стакими размерами слоев.
Ноконечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во-первых, методамолекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирскиминститутом физики полупроводников. И этот институт по сей день является однимиз мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а такжетехнологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов,систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодовсегодня, в том числе и для освещения, определяются уже размерами продаж,приближающимися к 10 млрд долларов). Мощная ветвь полупроводниковой индустрии,которая будет расти все дальше и дальше и сыграет, по оценкам экспертов, к 2030 г.важную роль в смене примерно 50% освещения на лампах на светодиодах, нананоструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергиив мире. Основа этого – солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано,что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составитоколо 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанцийРоссии на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять жетехнология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриальногопроизводства очень многих материалов.
Ябы хотел подчеркнуть, что наряду с развитием реальной нанотехнологии икрупномасштабным производством только на основе полупроводниковыхгетероструктур, объемы продаж всех материалов сегодня составляют десяткимиллиардов долларов, а влияние этой технологии в целом на развитиемикроэлектроники и электронных технологий можно назвать гигантским.
Отмечуеще и следующую вещь: ценность этих направлений заключается, прежде всего, вновых физических явлениях. К примеру, такая вещь, как низкоразмерныеэлектронные системы, стали массовыми и в промышленном производстве, и вфизических исследованиях. И если, скажем, в начале 70-х гг. наши доклады намеждународных конференциях были единичными, то сегодня две трети (даже тричетверти) докладов на полупроводниковых физических конференциях – это доклады,посвященные наногетероструктурам, физике электронных систем с низкоразмернымэлектронным газом. И среди новых физических явлений, которыми физикаобогатилась за эти десятилетия, я бы в первую очередь назвал одно из уникальныхоткрытий второй половины XX в. Это открытие дробного квантовогохолл-эффекта, сделанное Штормером и Цуи и теоретически объясненное Лохлином,ставшее возможным только благодаря наногетероструктурам, «квантовым ямам»высокого совершенства, в которых электронный газ можно было получить суникально высокими подвижностями. Открытие этого явления при низкихтемпературах в сверхсильных магнитных полях привело к тому, что объяснить егооказалось возможным, только предположив, что у квантовой жидкости существуютсвойства, которые не существуют для отдельно взятых частиц.
Председателькомитета по физике, который представлял эту работу, отмеченную Нобелевскойпремией в 98 г., подчеркнул, что в ней не соблюдается правило Ландау. Дело втом, что один из принципов Ландау таков: если вы знаете свойства частиц, то наосновании знания этих свойств вы можете описать и свойства ансамбля.Председатель комитета по физике сформулировал этот принцип так: 1+1=2. Ноиногда это простое арифметическое правило не выполняется. В физике это, какправило, ведет к Нобелевским премиям. Это случилось и с дробным квантовымхолл-эффектом, потому что оказалось, что свойства квантовой жидкости можнообъяснить, только предположив, что дробные квантовые заряды у частиц, уэлектронов, которых реально у каждого электрона нет, есть у ансамбля (Лохлин 4года назад говорил об этом в своей лекции под названием «Конец редукционизма»,которую он читал у нас в Петербурге). И это явление, с моей точки зрения,знаковое: дробный квантовый холл-эффект, открытый в 82 г., и последовавшие заним исследования показывают, что на самом деле и сегодня в нашей физике естьявление, которое мы не можем объяснить. Это следующий шаг и очень яркаядемонстрация физики наноструктур. Вместе с тем, это яркая демонстрация успеховнанотехнологии.
Яхорошо знаю Штормера, и Цуи, и Лохлина и помню, как Штормер всегда гордился нетолько тем, что он открыл дробный квантовый холл-эффект, но и тем, что онявляется автором так называемого модуляционного лигирования гетероструктур,которое позволило получать квантовые наногетероструктуры с очень высокойподвижностью. И это пример развития нанотехнологии, которая привела кдраматическим, очень ярким новым физическим явлениям и оказалась возможнойтолько благодаря развитию физики и технологии гетероструктур «men makecrystals».
Сегоднямы очень многого ждем от нанотехнологии, очень много говорим об этом (вчастности, в послании президента Федеральному собранию говорилось об этом). Насамом деле уже с конца 90-х гг. лозунг «Нанотехнологии» в США и в ряде другихстран стал использоваться для того, чтобы получать большие средства отправительств и государств. И я думаю, чрезвычайно важно те средства, которыебудут выделяться у нас, использовать для развития научных исследованийтехнологии, диагностики в целом. И очень важно при этом понимать, чтоконкретные новые явления мы часто не можем предсказать, поэтому нужнопредоставить очень многим лабораториям страны возможность работать ссовершенными системами молекулярной мосгидридной эпитаксии, а такжеиспользовать самые современные диагностические средства – тогда, я думаю, унас, безусловно, появится масса новых результатов; и в этом, с моей точки зрения,огромную роль играет международное научное сотрудничество.
Унас в России и в Советском Союзе подобные традиции существовали всегда. На мойвзгляд, такое положение дел будет сохраняться и дальше, и в этой области насждут ценные неожиданные открытия. Вы понимаете, что в очень короткомпятнадцатиминутном выступлении я не могу рассказывать детально об одной изсамых интересных областей физики и технологии полупроводников, которой я личнозанимаюсь с 62 г. (уже 45 лет). Хотел бы подчеркнуть в сегодняшнем докладе,посвященном 50-летию одного из самых замечательных научных центров мира – Сибирскогоотделения Российской академии наук, – что исследования физики полупроводниковыхгетероструктур мы ведем совместно начиная с 64 г. Поэтому этот центр нужноочень высоко ценить.
Ябоюсь, что у меня не будет возможности так долго говорить о юбилее Сибирскогоотделения… Я очень рад быть здесь уже второй раз в этом году и хотел бысказать, что Сибирское отделение, юбилей которого мы отмечаем, в мировомрейтинге научных организаций стоит на первом месте среди всех научныхорганизаций России и обгоняет всю Российскую академию наук на 40 номеров!Поздравляю Сибирское отделение! (Аплодисменты.)
Заключение
Нобелевский лауреат Ж. Алферов отметил, что в XX веке состоялось триосновных открытия: искусственное деление урана, транзисторы, лазеры. Срединаиболее значимым для человечества является появление транзистора наполупроводниках и последовавшее за этим создание и развитие микро- иоптоэлектроники – основы современной техники связи и информатики.
Физика полупроводников развивалась на протяжении XIX–XX веков полупроводниковыедиоды пришли на смену вакуумным лампам, были изобретены на основеполупроводников фотодиоды, фотоэлементы, интегральные микросхемы, аследовательно это привело к развитию ЭВМ и ПК.
На протяжении двух столетий такие учение как Дэви, Беккерей, Пирс,Столетов, Иоффе, Бардин, Браттейн, Шокли, Алферов внесли огромный вклад вразвитие физике полупроводников.
На данный момент решаются проблемы физики полупроводниковгетроструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, заряды, спиновыеволны, мезоскопия.
Список литературы
1. Калашников С.Г. Электричество: Учебн. Пособие. –6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАЛИТ, 2004
2. В.И. Фистуль. Введение в физику полупроводников. М. Высшаяшкола, 1984.
3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19века до середины 20 века. – М.: Наука, 1979
4. Сонин А.С. Введение в сегнетоэлектричество. — М.:Наука, 1970
5. myrt.ru/history/print:page, 1,981 – poluprovodniki.html
6. gete.ru/post_1172774080.html
7. Виноградов Ю.В. «Основы электронной и полупроводниковойтехники». Изд. 2-е, доп. М., «Энергия», 1972 г. – 536 с.