История открытия p-n перехода, или с чего начинался транзистор

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» —  настоящий прорыв в области физики.  Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции — важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн.

Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит  серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды — транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это  область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще.

Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые «дырки», способные «поглощать» электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость  n-типа (от negative — отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя «дырки». Но, когда заполняется одна «дырка» рядом возникает другая — покинутая электроном.

Таким образом, «дырки» создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive — положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и «дырки» в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой  К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся  «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов.

Сформированная В.Е. Лашкаревым  научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!”, — напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер — МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее — сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.

История иследования полупроводников курсовая 2010 по физике

Введение Физика полупроводников имеет большое значение в современном мире. Исследования проводимости различных математиков начали проводиться в XIX веке. Изучение свойств полупроводников началось, когда возникла потребность в новых источниках энергии. На основе полупроводников были созданы новые приборы: термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические и фотоэлектрические приборы. Полупроводники имеют большую область применения. Помимо радиотехники на основе полупроводников разработаны фотоэлементы, фотодиоды, интегральные схемы. Это все привело к появлению новых ЭВМ и ПК. Видно, что на протяжении XIX–XX веков, физика полупроводников развивается, полупроводники внедряются в развитие радиотехники и другие отрасли. Эта тема актуальна на протяжении двух столетий. В настоящее время эта тема продолжает изучаться. Сейчас же решаются проблемы физики полупроводников, такие как: гетероструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, зарядовые и спиновые волны, мезоскопия, квантовые явления в полупроводниковых системах, нанотрубки. Эти проблемы обсуждались 19 июня 2002 года в ГАИШ на международной конференции «Темная материя, темная энергия и гравитационная линзирование» В.Л. Гинзбургом. Целью моего реферата является – изучить исследования полупроводников на протяжении с XIX до настоящего времени. Задачи: 1. Показать вклад выдающихся деятелей в изучение свойств полупроводников и раскрыть основное положения их работ. 2. Раскрыть основные проблемы физики полупроводников в настоящее время. 3. Показать область применения полупроводников и их развитие 1. Понятие о полупроводниках Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены: 1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник 2. фотопроводимость Свойства полупроводников Полупроводники – широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности F 06 4, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов. Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники – особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами: 1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально. Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей. 2. Жидкие полупроводники Плавление многих кристаллических полупроводников сопровождается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичных для металлов (см рис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т.д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например, сплавы Te – Se, ботатые Te). Сплавы же Te – Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер. В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов. При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляеся зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл. 3. Понятие об активных диэлектриках Активные диэлектрики Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий – температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах. К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкой границы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал в зависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивного изолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента. Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены – области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I. За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков. Отечественное название – сегнетоэлектрики произошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC4h5O6). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO3. На примере BаTiO3 рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков. Химические связи в BаTiO3 ионно-ковалентные. Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария. Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в кислородном октаэдре. При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной – кубической. Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120 °С) он локализуется вблизи одного из ионов кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсу образовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятся спонтанно поляризованными. самовозбуждению колебательный контур. Он сконструировал радиоприемник с генерирующим кристаллом, названный ‘Кристадином’, что означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемника использовалось пара ‘цинкит – угольная нить’, на которую подавалось постоянное напряжение порядка 10В. Он установил, что основным условием генерирования и усиления такой пары есть отрицательное сопротивление контактной пары детектора. Позже вместо цинкита стали использовать галенит. Для того времени открытие Лосева было очень важным. Ведь обычный детекторный приемник давал возможность слушать лишь близкие станции. Дальний прием, особенно в городах, где много помех и трудно устроить высокую и длинную антенну, оказывался практически невозможным. Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, не требуя за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странах радиолюбители 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 исследуемой поры разнородных материалов при прохождении через нее тока. Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являются важнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов и излучателей инфракрасного света. Только после освоения производство полупроводников началось использование эффекта свечения О. Лосева. Прошло более 30 лет, прежде чем кристаллический детектор вернулся на свое место. За это время были выяснены принципы работы полупроводников и наложено их производство. Сейчас промышленность выпускает большой ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации они носят название полупроводниковых точечных диодов. При их изготовлении используют метод электрической формовки, т.е. мощные кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, о кончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта образуется маленький полусферический р-п-переход. Такие диоды имеют устойчивые электрические параметры. Так как в настоящее время ламповые диоды используются очень редко и наибольшее распространение получили полупроводники, то полупроводниковые диоды называют просто диодами. Сравнение вольтамперных характеристик вакуумного и полупроводникового диодов показывает, что в области прямого напряжения характеристика полупроводникового диода напоминает ламповую. Разница лишь в том, что один и тот же ток для полупроводникового диода получается при значительно меньших напряжениях. Это и является преимуществом полупроводниковых диодов при использовании их в выпрямителях. Недостаток полупроводникового диода – наличие обратного тока, хотя и небольшого по сравнению с прямым током. Диоды, используемые в схемах выпрямления, называют также вентилями. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды. Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1957 г. класс диодов пополнился новыми приборами – управляемыми полупроводниковыми 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 подразделяется на диодные (динисторы), триодные (тринисторы), запираемые и симметричные (симисторы). 5. История развития полупроводников 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 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 1940–194.1 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 п- 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. технологии массового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на одной пластине сразу сотни транзисторов. Имена большинства этих людей стали в дальнейшем знаковыми для электронной отрасли: Гордон Мур (Gordon E. Moore), Шелдон Робертс (C. Sheldon Roberts), Евгений Клайнер (Eugene Kleiner), Роберт Нойс (Robert N. Noyce), Виктор Гринич (Victor H. Grinich), Джулиус Бланк (Julius Blank), Джин Хоерни (Jean A. Hoerni) и Джей Ласт (Jay T. Last). Для серьезной работы собранных средств было совершенно недостаточно и тогда в качестве инвестора выступила компания Fairchild Camera and Instrument и 1 октября 1957 года была основана компания FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. А уже через полгода FAIRCHILD SEMICONDUCTOR получила первую прибыль – компания IBM закупила 100 транзисторов по цене $150 за штуку. 1958 год. К тому времени разработками полупроводников независимо занимались несколько компаний. Ученых объединял один вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation и Джек Килби, работающий в Texas Instruments изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Разница состояла в том, что Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. 1959 год. Роберт Нойс и Джек Килби отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения – началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. 60-е годы. Fairchild Semiconductor Corporation пустила чипы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность. Вообще, начало 60-х это сильный подъем в полупроводниковой отрасли. Многие инженеры и ученые, стоявшие у истоков создания полупроводников начинают основывать собственные фирмы. Так Джин Хоерни, Евгений Клайнер, Джей Ласт и Шелдон Робертс в 1961 году основали компанию Amelco, из которой в последствии «выросли» Intersil, Maxim и Ixys. В 1967 Чарли Спорк уходит в National Semiconductor. В 1968 году Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel. В том же году Виктор Гринич основывает собственную компанию Escort Memory Systems. В СССР в 1963 году создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. Инженер Ф.А. Щиголь разработал планарный транзистор 2Т312 и его бескорпусной аналог 2Т319, ставший основным активным элементом гибридных схем. В 1964 году на заводе «Ангстрем» при НИИ точной технологии созданы первые интегральные схемы ИС – «Тропа» с 20 элементами на кристалле, выполняющие функцию транзисторной логики с резистивными связями. В НИИМЭ в Зеленограде создана технология и начат выпуск первых планарных 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» начал работать первый экспериментальный цех по производству планарных интегральных схем. В НИИМЭ под руководством доктора наук К.А. Валиева начат выпуск логических и линейных интегральных схем. В 1968 НИИ «Пульсар» выпустил партию первых гибридных тонкопленочных ИС с планарными бескорпусными транзисторами типов КД910, КД911, КТ318, предназначенных для телевидения, радиовещания и связи. В НИИ МЭ разработаны цифровые и линейные ИС массового применения (серия 155). В 1969 году физик Ж.И. Алферов сформулировал и практически реализовал свои идеи управления электронными и световыми потоками в классических гетероструктурах на основе системы арсенид галлия-арсенид алюминия. 70-е годы. Последующее десятилетие отметилось дальнейшим ростом рынка электронных компонентов. Строились заводы по производству микросхем, образовывались новые компании. Старые компании постепенно перепрофилировались в соответствии с новыми требованиями времени, переходя от производства ламп к производству полупроводников, номенклатура которых постоянно расширяется – это аналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ транзисторы и тиристоры. Так например, кампания ANALOG DEVICES, начав в 1965 году со штатом в 45 человек, активно развиваясь, к 1974 году увеличила число сотрудников до 894, а в 1979 году стала публичной, выпустив на рынок свои акции. Компания MOTOROLA, начиная свой бизнес в 30-х годах с производство автомобильных радиоприемников, в 1974 году выпускает на рынок микроконтроллер MC6800, который на долгие годы становится №1 в автомобильной и бытовой электронике. Что касается СССР, к сожалению не было развития в сторну массового производства, однако наука на месте не стояла и к началу 1970 года в стране насчитывалось 69 серий интегральных схем, из которых 7 серий – по МОП технологии, 32 серии – по биполярной технологии. В 1973 – созданы интегральные схемы для наручных часов со степенью интеграции 1500 транзисторов на кристалл размером 2×2 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. Дшхуняна созданы первые отечественные микропроцессоры. В 1975 году организован промышленный 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 была достигнута степень интеграции 20 000 транзисторов на кристалл, а к концу десятилетия создана первая однокристальная микро- ЭВМ, эквивалентная мини-ЭВМ. 70-е годы были отмечены еще одним знаковым событием. К тому времени стало очевидно, что при постоянном росте сложности интегральных схем задача их промышленной разработки без создания средств компьютерной автоматизации будет попросту нереализуема. Появились инструменты автоматизации, которые сейчас объединены в рамках EDA (Electronic Design Automation). Поначалу они были представлены средствами CAE (Computer Aided Engineering) – для разработчика принципиальных схем с топологическими нормами 0,8 мкм. И пожалуй самое замечательное событие произошло на порого нового тысячелетия. В 2000 году академик Ж.И. Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году – за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах. В настоящее время главенствует направление микроминиатюризации полупроводниковых приборов. Последние достижения таковы: в США, в 2006 году создан транзистор из одиночной молекулы углерода. И уже в том же, 2006 году, ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевых частотах. Вполне вероятно, что развитие наноэлектроники будет связано с сопоставимой по масштабу оптимизацией, аналогичной уменьшению микроэлектронной компонентной базы в 60-е годы минувшего столетия. Возможно, что на основе интегрированных наноэлектронных чипов возникнет совершенно новая элементная база, которая будет отличаться высокой компактностью, низким энергопотреблением и невиданным ранее быстродействием. 6. Открытие сегнетоэлектриков В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC4h5O6·4h3O), а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930–1934 гг. И.В. Курчатовым в ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков. 7. Открытие пьезоэлектриков В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте – линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах. 8. Применение полупроводников 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 полупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от «God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие от кристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые в лаборатории, – это, в конечном счете, и германий, и кремний, и полупроводниковые 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. Что касается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малых размерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняете массу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаете материалы, которых в природе не существует, которые Бог – по тем или иным причинам – не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах вы принципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря, реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были получены первые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашей лаборатории – и это направление стало бурно развиваться. Но потом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах при исследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым с длиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерные явления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. И стало возможным существование тех кристаллов, которые получили название «квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия – «квантовые точки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включая квантовые точки нуль-размерных электронных систем. Я хотел 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 для всего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий, информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитие физических исследований стало возможным по-настоящему только после того, как технология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла на совершенно другой уровень. Поскольку я вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведение систематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х – начале 30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам, «полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Я помню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделать полупроводниковое 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. Ситуация кардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой и кремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивали исследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практически все, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитием технологии. Если говорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, прежде всего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковых структур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалось достичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктуры с размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология так называемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур из растворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается очень просто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, в котором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе, и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры с такими размерами слоев. Но конечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во- первых, метода молекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирским институтом физики полупроводников. И этот институт по сей день является одним из мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а также технологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов, систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодов сегодня, 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, на наноструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергии в мире. Основа этого – солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано, что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составит около 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанций России на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять же технология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриального производства очень многих материалов. Я бы хотел подчеркнуть, что наряду с развитием реальной нанотехнологии и крупномасштабным производством только на основе полупроводниковых гетероструктур, объемы продаж всех материалов сегодня составляют десятки миллиардов долларов, а влияние этой технологии в целом на развитие микроэлектроники и электронных технологий можно назвать гигантским. Отмечу еще и следующую вещь: ценность этих направлений заключается, прежде всего, в новых физических явлениях. К примеру, такая вещь, как низкоразмерные электронные системы, стали массовыми и в детально об одной из самых интересных областей физики и технологии полупроводников, которой я лично занимаюсь с 62 г. (уже 45 лет). Хотел бы подчеркнуть в сегодняшнем докладе, посвященном 50-летию одного из самых замечательных научных центров мира – Сибирского отделения Российской академии наук, – что исследования физики полупроводниковых гетероструктур мы ведем совместно начиная с 64 г. Поэтому этот центр нужно очень высоко ценить. Я боюсь, что у меня не будет возможности так долго говорить о юбилее Сибирского отделения… Я очень рад быть здесь уже второй раз в этом году и хотел бы сказать, что Сибирское отделение, юбилей которого мы отмечаем, в мировом рейтинге научных организаций стоит на первом месте среди всех научных организаций 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 три основных открытия: искусственное деление урана, транзисторы, лазеры. Среди наиболее значимым для человечества является появление транзистора на полупроводниках и последовавшее за этим создание и развитие микро- и оптоэлектроники – основы современной техники связи и информатики. Физика полупроводников развивалась на протяжении XIX–XX веков полупроводниковые диоды пришли на смену вакуумным лампам, были изобретены на основе полупроводников фотодиоды, фотоэлементы, интегральные микросхемы, а следовательно 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 в развитие физике полупроводников. На данный момент решаются проблемы физики полупроводников гетроструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, заряды, спиновые волны, 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. Высшая школа, 1984. 3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. – М.: Наука, 1979 4. Сонин А.С. Введение в сегнетоэлектричество. — М.: Наука, 1970 5. http://myrt.ru/history/print:page, 1,981 – poluprovodniki.html 6. http://gete.ru/post_1172774080.html 7. Виноградов Ю.В. «Основы электронной и полупроводниковой техники». Изд. 2-е, доп. М., «Энергия», 1972 г. – 536 с.

Электрический ток в полупроводниках — презентация онлайн

1. Электрический ток в полупроводниках

2.

Физические свойства полупроводников Проводимость
полупроводников зависит от
R (Ом)
температуры. В отличие от
проводников, сопротивление
которых возрастает с ростом
температуры, сопротивление
полупроводников при
нагревании уменьшается.
Вблизи абсолютного нуля
полупроводники имеют
свойства диэлектриков.

3. Электрический ток в полупроводниках

• Полупроводниками называют вещества,
удельное сопротивление которых убывает с
повышением температуры
• К полупроводникам относятся кремний,

германий, селен и др.
• Связь между атомами – парноэлектронная,
или ковалентная
• При низких температурах связи не
разрываются

4. Полупроводники

5. Собственная проводимость полупроводников

При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках
отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит
электрический ток.
—
Si
Si
—
—
Si
—
Si
—
—
Si

6.

Примесная проводимость полупроводников • Дозированное введение в чистый проводник
примесей позволяет целенаправленно изменять его
проводимость.
• Поэтому для увеличение проводимости в чистые
полупроводники внедряют примеси, которые
бывают донорные и акцепторные

7. Проводимость полупроводников

• Донорные примеси — это примеси, отдающие
лишний валентный электрон
• Полупроводники с донорными примесями
обладают электронной проводимостью и
называются полупроводниками n–типа.
Акцепторные примеси – это примеси, у которых не
достает электронов для образования полной
ковалентной связи с соседними атомами.
Полупроводники с акцепторными примесями обладают
дырочной проводимостью и называются
полупроводниками p-типа.

8. Диод

• Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим
переходом и двумя выводами (электродами).
• В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода
основывается на явлении p-n-перехода.
• Впервые диод изобрел Джон Флемминг в 1904 году.

9. Типы и применения диодов

Диоды применяются в:
преобразовании переменного тока в постоянный
детектировании электрических сигналов
защите разных устройств от неправильной полярности
включения
коммутации высокочастотных сигналов
стабилизации тока и напряжения
передачи и приеме сигналов

10. Транзистор

• Электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами,
позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи.
• Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования
электрических сигналов.
• В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell
Labs впервые создали действующий биполярный транзистор.

Изобретения Алфёрова — на каждом шагу

Академик Жорес Алферов, 1983 год. Фото: ITAR-TASS

У каждого современного человека в кармане лежит сотовый телефон. Он ездит по навигатору, пользуется Интернетом, расплачивается пластиковой картой. И даже не догадывается, что всё это стало возможным благодаря изобретениям Жореса Алфёрова.

Славное время

Ему повезло начать свою научную работу в легендарную у физиков эпоху зарождения «эры полупроводников». Эти материалы начали изучать ещё в 30-е годы прошлого века, но настоящий бум, сопровождавшийся потрясающими научными открытиями, случился как раз в 50-60-е. И одним из тех, кто добился исключительных результатов, был Алфёров.

Свою первую награду — орден «Знак Почёта» — он получил в 1959 году за германиевые силовые выпрямители тока для подводных лодок. Но затем он увлёкся не простыми полупроводниками, а многокомпонентными — их свойства открывали фантастические перспективы. Жорес Алфёров стал изучать полупроводниковые гетероструктуры — две или больше тонких плёнок, состоящих из близких по параметрам кристаллической решётки веществ, выращенных друг на друге.

Меняя состав веществ, удавалось получить структуры с заданными физическими свойствами. Этой темой занимались во всём мире, но именно группа Жореса Алфёрова сумела разработать промышленную технологию выращивания гетероструктур.

Спасибо за ГЛОНАСС

В 1963 году он одним из первых на планете создал полупроводниковый лазер, который, правда, работал только при сверхнизких температурах жидкого азота. Но спустя шесть лет прибор уже мог работать при комнатной температуре — и тут первенство принадлежит исключительно команде Алфёрова. Этот лазер сейчас используется повсюду: для записи и воспроизведения компакт-дисков, для считывания штрих-кода на кассах в магазинах, для передачи сигнала по оптоволокну — это позволяет охватить весь мир сетью Интернет.

Именно за создание гетероструктур Жорес Алфёров вместе с немцем Гербертом Крёмером и получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике. Фото: CG/FMS

Гетероструктуры, разработанные Жоресом Алфёровым, применяются в мобильных телефонах — из них состоит сверхвысокочастотный усилитель сигнала, без которого сотовая связь невозможна. А ещё — светодиоды и фотодиоды, освещающие наши дома, используемые в светофорах и фарах автомобилей. Быстрые диоды и быстрые транзисторы, которые нужны в спутниковой радиосвязи — благодаря им работают в том числе GPS и ГЛОНАСС. ИК-порт и технология «Блю рей» — это тоже гетероструктуры. И, наконец, солнечные батареи — от маленьких в детских игрушках до огромных на космических станциях.

Именно за создание гетероструктур, применяемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике, Алфёров вместе с немцем Гербертом Крёмером и получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике.

Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе. Академик Жорес Алферов (в центре) среди научных сотрудников одной из лабораторий. Фото: Юрий Белинский /ТАСС

На этом учёный не успокоился. Последние десятилетия он посвятил созданию гетероструктур для солнечных батарей нового поколения. Экспериментальные образцы уже обладают рекордным КПД, но теперь нужно изобрести технологию, пригодную для массового производства.

К сожалению, ученики Жореса Алфёрова будут биться над этой проблемой уже без своего великого учителя. Но можно не сомневаться, они решат задачку. И тогда электричество, произведённое из света, заменит атомную и углеводородную энергетику и войдёт в каждый дом. Подобный прорыв наверняка будет отмечен Нобелевской премией — и тот, кто её получит, обязательно в своей Нобелевской лекции не раз помянет Жореса Алфёрова добрым словом.

В России изобрели микросхемы толщиной в одну молекулу | Статьи

Российские ученые разработали способ создания двумерных (тонкая пленка толщиной в одну молекулу) полупроводников с заданными свойствами. Это позволит конструировать миниатюрные изделия электроники. О промышленном производстве, по словам экспертов, говорить пока рано — необходимо провести дополнительные исследования. Но сама новинка без преувеличения революционна.

Ученые НИТУ «МИСиС» изобрели самый тонкий в мире полупроводник с заданными свойствами. Они успешно провели эксперимент по контролируемому созданию материала на основе частично окисленного оксида бора. Группа исследователей во главе с профессором Дмитрием Гольбергом работала совместно с коллегами из Национального института материаловедения (Япония), Пекинского транспортного университета (КНР) и Технологического университета Квинсленда (Австралия). Результат исследования опубликован в научном журнале Advanced Materials.

Главный научный сотрудник Института биохимической физики РАН Леонид Чернозатонский подтвердил «Известиям», что открытие российских ученых имеет общемировое значение. Однако, по его словам, до промышленных образцов электроники еще далеко.

— Получен новый полупроводниковый материал на основе нитрида бора. У него можно контролируемым способом менять ширину запрещенной зоны путем изменения концентрации кислорода, — сказал Леонид Чернозатонский. — Предложенный метод позволяет быстро и просто — а значит, дешево — получить материал с контролируемой запрещенной зоной.

Ширина запрещенной зоны — термин из физики твердого тела. Значение этого параметра определяет, относится ли материал к проводникам, полупроводникам или диэлектрикам. Нанося разное количество кислорода на разные части нитрида бора, можно управлять его «проводимостью» и как бы рисовать на пленке нужную микросхему.

Ученые с помощью суперкомпьютерного кластера Cherry, находящегося в НИТУ «МИСиС», выстроили теоретическую модель нового материала. Далее в ходе эксперимента удалось создать опытный образец, который полностью соответствовал модели.

— Наше открытие позволит активно использовать этот материал в таких областях науки и техники, как фотовольтаика, оптоэлектроника, хранение энергии, — заявил один из соавторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.

Как известно, полупроводники являются основой современной электроники. За миниатюризацию борются все лидеры этой отрасли. Открытие позволит, например, создать не микропроцессор, а нанопроцессор — в тысячи раз меньше существующих. По словам исследователей, он будет потреблять меньше энергии, что приведет к миниатюризации аккумуляторов и появлению массовой «незаметной» электроники — невесомых кардиостимуляторов, дешевых очков с дополненной реальностью, телефонов-сережек и других гаджетов, которые пока сделать либо дорого, либо вообще невозможно.

Доцент Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ Алексей Грехов рассказал, что изучение свойств низкоразмерных структур или наноструктур — популярная тема экспериментальных и теоретических исследований в последнее время. В 2010 году двое российских ученых получили Нобелевскую премию за исследование графена — другого материала с подобными свойствами.

— Прикладное значение таких материалов разнообразно — от электроники и сенсоров до биосовместимых структур, — заявил Алексей Грехов. — В электронике перспективы таких элементов очевидны: уменьшается энергоемкость, повышается быстродействие и компактность. Однако до практического применения данных материалов еще далеко.

Работа проведена в рамках инфраструктурного проекта НИТУ «МИСиС» «Теоретическое материаловедение наноструктур», созданного в соответствии с Программой повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проект 5-100).

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Как создавались полупроводниковые лазеры. Часть I / Хабр

Лазер — сильнодействующая слабительная резинообразная смола, получаемая из растения лазер-корень.
Лазер-корень — растение из рода Лазерпитиум семейства моркови (зонтичные).

(Словарь Вебстера 1939 г.)

Laserpitlum latifolium (Лазерпитиум широколистый).

Все началось с радио

Вскоре после первых демонстраций Попова и Маркони в 1895-1896 годах появилась идея детекторного приемника (того самого, что с одним диодом). Как раз за несколько лет до этого изобрели полупроводниковые диоды. Тогда их называли

кристаллическими детекторами

– ни понятия «полупроводник», ни слова «диод» еще не придумали. Тем более никто не понимал, почему кристаллический детектор в принципе работает – впрочем, было ясно, что дело в

особой кристаллической магии

контакте между кристаллом и металлической проволочкой.

Кристаллический детектор. Металлическая проволочка касается полупроводника (на круглой подставке), образуя барьер Шоттки. Из-за торчащей проволочки такой детектор называли «cat’s-whisker», то есть «кошачий ус».

Над такими диодами в лаборатории Маркони работал Генри Джон Раунд. В 1907 году он заметил, что если к детекторам на основе карбида кремния приложить напряжение, то некоторые из них начинают светиться. Свечение обычно желтоватое, но может быть зеленым и даже синим. В годы становления радио всем было немножко не до свечения, поэтому Раунд ограничился лишь заметкой в журнале.

Кстати, спустя сто с лишним лет умельцы повторяют этот опыт. Получается очень здорово.

Довольно часто одно и то же новое явление независимо наблюдают разные коллективы. Так случилось и со свечением карбида кремния. Во второй раз – через 20 лет – его заметил Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, рассматривая кристаллический детектор под микроскопом. В отличие от Раунда, Лосев попытался изучить свечение более детально и попытаться понять его природу. Забегая вперед, скажу, что с физикой свечения разобраться не удалось – зонной теории не существовало в принципе, да и квантовая механика только создавалась. Тем не менее, Лосев продемонстрировал на редкость последовательный и детальный научный подход.

Генри Раунд (слева), Олег Лосев.

Прежде всего, надо было понять, при каких условиях возникает свечение. Так как главный параметр в работе диода – напряжение, Лосев измерил пороговое напряжение, при котором детектор начинал светиться. Оказалось, что это может происходить и при прямой, и при обратной полярности приложенного напряжения. (Сегодня мы знаем, что первое – это режим инжекционной люминесценции, в котором работают все современные светодиоды и лазеры; второе же наблюдается перед необратимым пробоем диода и называется предпробойной люминесценцией).

ВАХ детектора Лосева. Стрелочкой указано начало свечения примерно при 8 В. [1]

Следующий вопрос – природа свечения. Что, если тонкий контакт светится из-за высокой температуры, как лампочка накаливания? Лосев капнул на контакт каплю бензола и пронаблюдал за его испарением; бензол испарялся очень медленно. Значит, дело не в температуре. Лосев предположил, что имеет дело с «обратным фотоэффектом»: электрон, разогнавшись в электрическом поле, влетает в область контакта и тормозится, а его энергия идет на генерацию света. Пожалуй, это было наиболее логичное объяснение на то время: эффект был наверняка квантовый, но до зонной теории оставалось еще 10 лет.

Что еще можно измерить у источника света? Конечно же спектр! Оказалось, что он явно нетепловой и зависит от приложенного напряжения. Ничего больше сказать не получалось: никакой доступной теории не было. Согласно Иоффе, Лосев писал по этому поводу Эйнштейну, но ответа не дождался.

Наконец, Лосев показал удивительное быстродействие эффекта. Он сумел замодулировать излучение диода с частотой до 78.5 килогерц – выше просто не позволяла его аппаратура. Лосев сделал далеко идущий вывод о возможности применения эффекта для высокоскоростной передачи информации, а также написал патент на быстрое «световое реле».

Лирическое отступление: Олег Лосев

Все источники описывают Лосева как на редкость талантливого исследователя, опередившего время. На заре своих исследований, еще до «светодиодов» он крайне кропотливо изучал ВАХ кристаллического детектора. Несмотря на проблемы с теорией, он создал новый тип приемника на кристаллическом диоде – «кристадин». К слову, у Лосева не было академического прошлого – учебу в Московском институте связи он бросил ради работы в Нижегородской лаборатории. Тем не менее, на примере «обратного фотоэффекта» видно, что он вполне успешно знакомился с современными идеями и развивал их.

В 1928 году Нижегородскую радиолабораторию расформировывают. Лосев переезжает в Ленинград, где продолжает изучать люминесценцию детекторов. Здесь же он занимается свойствами поверхности полупроводников. Касаясь кристалла не одной, а несколькими зондами-проволочками, Лосев показывает, что за работу детектора отвечает приповерхностный слой полупроводника толщиной около 10 микрон. По сути, эти эксперименты были зарождением зондовой микроскопии. Попутно Лосев упоминает, что система с несколькими электродами по-видимому, может заменить ламповый триод – то есть предсказывает реализацию транзистора (это до открытия p-n перехода и без квантовой механики!)

В завершение короткого рассказа о Лосеве стоит упомянуть фотоэффект в детекторах. По аналогии с предыдущими работами он измеряет глубину активного слоя (получается 1-3 мкм) и замечает, что фотоэффект особенно силен в кремнии. Предполагая, что у кремния большое будущее в фотовольтаике (а ведь так и оказалось), он начинает работу над кремниевыми фоторезисторами в 1941 году.

Лосев не успеет достичь каких-либо успехов с фоторезисторами: после начала войны он откажется эвакуироваться и переключится на более приоритетные задачи. Он погибнет в январе 1942 года и, будучи ученым-одиночкой, не оставит последователей. Термин «Losev light» будет использоваться в мировой литературе еще несколько лет.

После войны

Наконец-то разработана квантовая теория твердого тела. В начале 40-х годов в Bell Labs создается первый p-n переход, а к 1948 году – и первый транзистор. Физика полупроводников становится как никогда актуальной. Курт Леговец, недавно эмигрировавший в США из Германии, повторяет опыты Лосева на более качественных образцах карбида кремния. В целом подтверждая результаты Лосева (измеряя те же ВАХ и спектры излучения диодов при разных температурах), Леговец с коллегами указывают на недостатки его физической модели. Вместо этого они показывают, почему p-n переход излучает свет, если приложить к нему напряжение.

Из работы Леговца. p-n переход пропускает ток, электроны рекомбинируют с дырками, излучая свет.

Уже через год Джон Хейнц из Bell Labs изготавливает светодиоды на основе кремния и германия, и вскоре наглядно подтверждает выводы Леговца. Правда, КПД светодиодов оказывается крайне низким. Причиной всему – непрямозонность Si и Ge (об этом я упоминал в статье про синие диоды).

В это же время начинают исследовать другие полупроводники – арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и их твердые растворы (GaAsP), которые оказываются прямозонными. Первые светодиоды на их основе были продемонстрированы в 1962 году: инфракрасный диод на GaAs – Жаком Панковым из RCA; диод красного света на GaAsP – Ником Холоньяком из General Electrics.

Слева направо: Курт Леговец, Жак Панков, Ник Холоньяк. Фото Джона Хейнца найти не удалось.

Лазеры

В новую эпоху мир вступил в 1954 году, когда были созданы первые генераторы когерентного микроволнового излучения на аммиаке –

мазеры

. Спустя 10 лет Басов, Прохоров и Таунс получат за это Нобелевскую премию, а незадолго до этого, в 1960 году, Мейман продемонстрирует первый оптический лазер на рубиновом кристалле. За полупроводниковой революцией последует революция лазерная.

В классических лазерах мы имеем дело с энергетическими уровнями в атомах или ионах. Уровней нужно хотя бы два: сначала мы «забрасываем» электроны на верхний, после этого они возвращаются на нижний, генерируя лазерный импульс. А что, если использовать в роли этих двух уровней валентную зону и зону проводимости полупроводника? Эта идея приходит в голову пионеру лазерной физики Николаю Басову вместе с Олегом Крохиным и Юрием Поповым из ФИАНа.

Лингвистическое отступление: отрицательные температуры

Статья Басова, Крохина и Попова 1961 года называется «

Возможности использования непрямых переходов для получения отрицательной температуры в полупроводниках

». Этот необычный термин был весьма распространенным в то время. Причина здесь в следующем. Как мы помним, для работы лазера нужна инверсная населенность среды: если электроны могут находиться на двух энергетических уровнях, то на верхнем уровне их должно быть больше, чем на нижнем.

Хотя согласно классической термодинамике (<zanuda_mode> для идеального газа в равновесии </zanuda_mode>), частиц на нижнем уровне всегда больше, чем на верхнем. Определяется это распределением Больцмана:

Видно, что чем выше энергия уровня, тем больше дробь и (с учетом минуса) тем меньше экспонента.

Давайте еще посмотрим на температуру (Т). Если она низкая, то дробь велика, а экспонента мала – почти все частицы сидят на нижнем уровне. Если мы будем нагревать систему все сильнее и сильнее, то дробь будет стремиться к нулю, а экспонента – к единице вне зависимости от энергий уровней. То есть, заселенности станут равны.

А что, если подставить в формулу отрицательную температуру (да-да, знаем, что так не бывает, а все-таки)? Ух ты, на верхнем уровне частиц стало больше, чем на нижнем – это же инверсная заселенность!

Собственно, поэтому на заре лазеров инверсную заселенность называли «получением отрицательных температур». А еще отсюда видно, что классическая термодинамика не может полностью описать то, что происходит в лазерах (ну не бывает ведь отрицательных температур!). Нужны другие модели – например, третий энергетический уровень, частицы с которого падают только на второй – но это уже совсем другая история.

Самым приятным оказалось то, что от светодиода до лазерного диода оставался лишь один шаг – создание вокруг p-n перехода внешнего резонатора из двух зеркал. В реальности все оказалось еще проще: вместо зеркал можно было использовать отполированную поверхность кристалла, так как внутреннее отражение от поверхности полупроводника достаточно велико.

По этой причине первый полупроводниковый GaAs лазер был создан уже через несколько месяцев после первого светодиода. Автором работы стал Роберт Холл из того же General Electric.

В том же 1962 году уже известный нам Ник Холоньяк сделал лазер на GaAsP. С зеркалами он поступил еще хитрее. Дело в том, что качественные кристаллы очень легко ломаются вдоль кристаллических осей, а поверхность скола получается очень ровной (в идеале – почти атомарно-гладкой). Холоньяк просто сколол края кристалла с двух сторон и таким образом превратил его в лазер.

Слева направо: Николай Басов, Олег Крохин, Юрий Попов, Роберт Холл.

Наконец, в том же году Басов, Крохин и Попов сделали GaAs лазер в ФИАНе. Таким образом, 1962 год стал поистине прорывным для оптоэлектроники. Правда, все пионерские работы объединяла одна большая проблема – лазеры работали только в импульсном режиме, только при температуре жидкого азота, не отличались большим КПД и быстро выходили из строя. Некоторые ученые полагали, что создание непрерывного полупроводникового лазера невозможно в принципе.

(продолжение следует)

Литература
[1] N. Zheludev, The Life and Times of the LED – a 100-Year History, Nat. Photonics 1, 189 (2007).
[2] Лекция Ж. И. Алферова в телепередаче «Academia», части первая и вторая.
[3] Нобелевские лекции по физике – 2000 (в переводе УФН).
[4] Дополнительная информация о Нобелевской премии по физике 2014 года.
[5] Карлов Н. В., Кириченко Н. А. Начальные главы квантовой механики. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
КДПВ отсюда.

Ученые из НИТУ «МИСиС» первыми в мире создали управляемые двумерные полупроводники

Коллективу ученых из НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), Национального института материаловедения (NIMS, Япония), Пекинского транспортного университета (КНР) и Технологического университета Квинсленда (Австралия) под руководством профессора Дмитрия Гольберга впервые в мире удалось решить проблему создания двумерных материалов с контролируемыми свойствами.

В теоретической части работы использовались ресурсы суперкомпьютерного кластера «Cherry» НИТУ «МИСиС». Практическая часть работы выполнялась в Японии и Австралии.

Работа сделана в рамках инфраструктурного проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур», созданного НИТУ «МИСиС» в рамках Программы повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проект 5–100).

В работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, ученые описывают первый в мире эксперимент по контролируемому созданию материала на основе частично окисленного нитрида бора. Материал изготавливается посредством постепенного добавления кислорода в структуру двумерного нитрида бора.

До сих пор контролируемо менять ширину запрещенной зоны удавалось, лишь внедряя в нитрид бора атомы углерода, однако этот метод оказался очень сложным и дорогостоящим. Метод частично окисления оказался намного более простым и дешевым.

После синтеза ученые измеряли ширину запрещенной зоны частично окисленного нитрида бора в зависимости от содержания в решетке атомов кислорода. В ходе экспериментов удалось подтвердить на опытных образцах теоретически предсказанные свойства кристаллической решетки нитрида бора для нескольких уровней содержания кислорода.

«Главное достижение нашей работы в том, что нам удалось успешно совместить методы теоретического материаловедения с великолепной работой коллег экспериментаторов, — рассказали соавторы работы, научные сотрудники лаборатории „Неорганические наноматериалы“ НИТУ „МИСиС“, доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Дмитрий Квашнин. — Наше тесное сотрудничество вылилось в то, что с одной стороны был успешно синтезирован новый материал на основе нитрида бора с возможностью контроля ширины запрещенной зоны, а с другой стороны особенности его свойств были подробным образом изучены теоретически, при этом экспериментальные данные были успешно подтверждены теорией».

При помощи комплексного исследования полученного материала ученым удалось понять, как и почему меняется ширина запрещенной зоны в частично окисленном нитриде бора.

«Основной вклад в уменьшение ширины запрещенной зоны вносит наличие гидроксильных групп, расположенных на краях нового материала. Наличие такого слоя приводит к формированию дополнительных электронных уровней вблизи энергии Ферми, что и приводит к меньшей ширине запрещенной зоны, наблюдаемой экспериментально», — отметил Павел Сорокин.

Ученый подчеркнул, что такой способ уменьшения ширины запрещенной зоны может привести к активному использованию данного материала в таких областях науки и техники, как фотовольтаика, оптоэлектроника, хранение энергии.

4. История полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

История рождения полупроводников восходит к изобретению выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный) в 1874 году. Десятилетия спустя Бардин и Браттейн из Bell Laboratories в США изобрели точечный транзистор в 1947 году, а Шокли изобрел транзистор. переходный транзистор в 1948 году. Это знаменовало приход эры транзисторов. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер с использованием электронных ламп.Компьютер был настолько большим, что его электронные лампы занимали все здание, потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный вычислитель (компьютер), и с тех пор компьютеры выросли не по дням, а по часам. В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттейну за их вклад в исследования полупроводников и разработку транзисторов.
После изобретения транзистора полупроводниковая промышленность быстро росла.В 1957 году он уже перевалил за 100 миллионов долларов. В 1959 году биполярная интегральная схема (ИС) была изобретена Килби из Texas Instruments и Нойсом из Fairchild Semiconductor в США. Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников и ознаменовало начало эры IC. Будучи небольшими по размеру и легким, ИС широко использовалась в различных электроприборах.
В 1967 году компания Texas Instruments разработала настольный электронный калькулятор (калькулятор) с использованием микросхемы IC.В Японии производители электронного оборудования один за другим выпускали калькуляторы, и ожесточенные «калькуляторы» продолжались до конца 1970-х годов. Интеграция ИС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная схема (БИС). Технологии продолжают развиваться. СБИС (от 100 тысяч до 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1980-х годах, а ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1990-х годах. В 2000-х годах системная БИС (многофункциональная БИС с множеством функций, интегрированных в одну микросхему) была запущена в серийное производство.По мере того, как IC прогрессирует в направлении высокой производительности и множественности функций, область ее применения широко расширяется. Полупроводники сейчас используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.

Полупроводниковый транзистор

— История полупроводникового транзистора

Современный электронный транзистор — это полупроводниковое устройство, обычно используемое для усиления или переключения электронных сигналов. Транзистор сделан из цельного куска полупроводникового материала, по крайней мере, с тремя выводами для подключения к внешней цепи.Напряжение или ток, приложенные к одной паре выводов транзистора, изменяют ток, протекающий через другую пару выводов. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть намного больше управляющей (входной) мощности, транзистор обеспечивает усиление сигнала. Транзистор является основным строительным блоком современных электронных устройств и используется в радио, телефонах, компьютерах и других электронных системах. Некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но большинство из них находится в интегральных схемах.

Как это часто бывает со многими изобретениями, транзистор является результатом работы многих изобретателей, и только последний или самый умный получает всю славу. В данном случае это были американцы Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, получившие Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора, который был назван самым важным изобретением ХХ века

Но кто был первым?

Начало исследований в области полупроводников ознаменовано отчетом Майкла Фарадея 1833 года об отрицательном температурном коэффициенте сопротивления сульфида серебра.Это первое наблюдение любого свойства полупроводника. В своей статье 1833 года «Экспериментальные исследования электричества» Фарадей (см. Портрет рядом) раскрыл это наблюдение. Это наблюдение отличалось от обычных свойств металлов и электролитов, в которых сопротивление возрастает с температурой.

Следующим крупным исследователем полупроводников является французский физик-экспериментатор Эдмон Беккерель. В 1839 году он сообщил о наблюдении фотоэдс в платиновых электродах, покрытых хлоридом серебра.В его эксперименте платиновый электрод, покрытый AgCl, был погружен в водный раствор азотно-кислотного электролита. Освещение электрода генерировало фотоэдс, которое изменяло ЭДС, создаваемую ячейкой, фактически оно создавало восстановительный (катодный) фототок на электроде, покрытом AgCl; это было первое зарегистрированное фотоэлектрическое устройство. Фотоэдс создавалось на контакте металл-полупроводник Ag / AgCl.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828–1891) (см. Портрет рядом) открыл фотопроводимость селена.Первоначально он работал с подводными кабелями. Он начал эксперименты с селеном из-за его высокого сопротивления, что оказалось подходящим для его подводной телеграфии. Различные экспериментаторы измеряли сопротивление селеновых стержней, но сопротивление, измеренное ими в различных условиях, совершенно не согласовывалось. Затем Смит обнаружил, что сопротивление фактически зависит от интенсивности падающего света. Когда селеновые стержни помещали в коробку с закрытой сдвижной крышкой, сопротивление было максимальным.Когда на пути света помещались очки разных цветов, сопротивление варьировалось в зависимости от количества света, проходящего через стекло. Но когда крышку сняли, проводимость увеличилась. Он также обнаружил, что эффект не был вызван изменением температуры.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун (см. Портрет рядом), 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество, в Вюрцбургском университете.Когда он исследовал кристалл галенита (сульфида свинца) острием тонкой металлической проволоки, Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении. Он обнаружил эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.
Браун продемонстрировал это полупроводниковое устройство аудитории в Лейпциге 14 ноября 1876 года, но оно не нашло полезного применения до появления радио в начале 1900-х годов, когда оно использовалось в качестве детектора сигнала в «кристаллическом радио».Распространенное описательное название «детектор кошачьих усов» происходит от тонкого металлического зонда, используемого для электрического контакта с поверхностью кристалла. Браун более известен своей разработкой осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) в 1897 году, известной как «трубка Брауна» ( Braunsche Röhre на немецком языке). Он разделил Нобелевскую премию 1909 года с Гульельмо Маркони за его вклад в развитие беспроводной телеграфии , в основном разработку настраиваемых схем для радиоприемников.

Первым человеком, применившим полупроводники в практических целях, был бенгальский эрудит сэр Джагадиш Чандра Бозе (1858-1937). Джагадиш Чандра Бос (см. Портрет рядом) был гениальным физиком, биологом, ботаником, археологом и писателем-фантастом. Для приема излучения он использовал множество различных металлических полупроводниковых переходов, последовательно подключенных к высокочувствительному гальванометру. Он изобрел несколько полупроводниковых устройств, первым из которых был его детектор Galena , который он изобрел некоторое время в течение 1894-1898 годов и продемонстрировал в дискурсе Королевского института в 1900 году. В этом устройстве пара точечных контактов (кошачьи усы), в данном случае галенита, была подключена последовательно к источнику напряжения и гальванометру. Это устройство могло обнаруживать любое излучение, волны Герца, световые волны и другое излучение . Он назвал свой точечный контактный детектор галенита «искусственной сетчаткой» (потому что при соответствующем расположении он мог бы обнаруживать только световые волны), универсальным радиометром. Позже компания Bose получила первый в мире патент на полупроводниковое устройство, а именно на детектор Galena .Среди других его новаторских твердотельных полупроводниковых приемников — спиральный пружинный когерер и железо-ртутный железный когерер (детектор) с телефоном.

Между 1902 и 1906 годами инженер-электрик компании American Telephone and Telegraph Гринлиф Уиттиер Пикард (1877–1956) (см. Портрет рядом) испытал тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректификационные свойства. Кристаллы кремния от Westinghouse дали одни из лучших результатов. 20 августа 1906 года он подал U.Патент С. на «Средство для получения интеллектуальной связи с помощью электрических волн» на кремниевый точечный детектор (диод) был присужден в ноябре того же года (см. Патент США 836531 Пикард). Вместе с двумя партнерами Пикард основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристаллических радиодетекторов «кошачьих усов». Вероятно, это была первая компания, которая производила и продавала кремниевые полупроводниковые устройства. Другой американский изобретатель — Генри Данвуди получил патент на систему с точечным детектором из карборунда (карбида кремния) всего через несколько недель после Пикарда.

В 1915 году американский физик Мэнсон Бенедикс обнаружил, что кристалл германия может использоваться для преобразования переменного (переменного тока) тока в постоянный (постоянный ток), то есть для выпрямляющих свойств кристаллов германия. Таким образом, германий был добавлен к списку полупроводников. До этого это был небольшой список, состоящий из кремния, селена и теллура.

В 1927 году американцы Л.О. Грондал и П. Гейгер изобрел выпрямитель из оксида меди. Патент США 1640335 был выдан Грондалу 23 августа 1927 года.

В 1925 году знаменитый изобретатель Юлиус Лилиенфельд (см. Фото рядом) подал заявку на патент в Канаде, а в следующем году в США, описывая устройство, очень похожее на MESFET-транзистор, которое он тогда назвал Method and Apparatus for Controlling Electric. Токи (см. Патент США 1745175 Лилиенфельда).
Юлиус Эдгар Лилиенфельд (1882–1963) был выдающимся человеком в области физики и электроники. Австрийский еврей Лилиенфельд родился в Лемберге в Австро-Венгрии (ныне Львов в Украине).Он получил образование (доктор физико-математических наук) и прожил в Германии до середины 1920-х годов, когда решил эмигрировать в США. Помимо вышеупомянутого патента на первый транзистор, он был держателем нескольких других патентов в этой области — патента США 18 «Устройство для управления электрическим током» от 1928 года на тонкопленочный MOSFET-транзистор; Патент США 1877140 «Усилитель электрического тока» от 1928 года на твердотельное устройство, в котором ток регулируется пористым металлическим слоем, твердотельная версия вакуумной лампы; Патент США 2013564 «Электролитический конденсатор» от 1931 года на первый электролитический конденсатор. Когда Браттейн, Бардин и Шокли пытались получить патент на свой транзистор, большинство их требований было отклонено именно из-за патентов Лилиенфельда.

В 1934 году другой немецкий ученый — Оскар Хайль (1908–1994), инженер-электрик и изобретатель, подал заявку на получение в Германии патента на раннее транзисторное устройство, описывающее возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрического поля. который он назвал Улучшения в электрических усилителях и других устройствах и устройствах управления или относящиеся к ним .В 1935 году Хайль получил британский (см. Рисунок из британского патента), бельгийский и французский патенты на свое устройство.

В 1939 году Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, исследователи из Bell Telephone Labs в Нью-Джерси, предприняли неудачную попытку построить полупроводниковый усилитель, вставив крошечную управляющую сетку в слой оксида меди. Вторая мировая война положила конец их экспериментам. Однако в 1947 году тот же Браттейн, на этот раз вместе с Джоном Бардином, изобрел точечный транзистор (см. Фото первого транзистора, сделанного из германия).Уильяма Шокли (руководителя группы) в то время там не было, и он не получил признания за изобретение, что сильно его разозлило. Это тоже хорошо. Точечный транзистор был сложен в изготовлении и не очень надежен. Это был не тот транзистор, который хотел Шокли, поэтому он продолжил работу над своей собственной идеей, которая привела к переходному транзистору , который было проще в производстве и который работал лучше. Бардин и Браттейн подали заявку на патент 17 июня 1948 года, а патент был выдан 3 октября 1950 года (см. Патент).

Уильям Шокли подал заявку на свой первый патент на переходной транзистор почти одновременно — в США. Патент 2569347 был подан 26 июня 1948 г. и выдан 25 сентября 1951 г. (см. Первый патент Шокли).

Джон Бардин (1908–1991), Уильям Брэдфорд Шокли (1910–1989) и Уолтер Хаузер Браттейн (1902–1987) (см. Нижнюю фотографию) разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года «за исследования полупроводников и их открытие транзисторного эффекта ».

Бардин (слева), Шокли (в центре) и Браттейн (справа)

Так как же работает транзистор?

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель. Это достигается за счет использования небольшого количества электричества для управления затвором при гораздо большей подаче электроэнергии, что очень похоже на поворот клапана для управления подачей воды. Транзисторы
состоят из трех частей, называемых базой , коллектором и эмиттером .База — это устройство управления затвором для большего источника электроэнергии. Коллектор — это более крупный источник электропитания, а эмиттер — выход для этого источника. Посылая переменные уровни тока от базы, можно регулировать количество тока, протекающего через затвор от коллектора. Таким образом, очень небольшое количество тока может использоваться для управления большим током, как в усилителе. Тот же процесс используется для создания двоичного кода для цифровых процессоров, но в этом случае необходим порог напряжения в пять вольт, чтобы открыть коллекторный затвор.Таким образом, транзистор используется как переключатель с двоичной функцией: пять вольт — включено, менее пяти вольт — выключено.

Полупроводники: тиристоры и др.

В Основа современной электроники

1.) Основы
2.) Важные полупроводниковые приборы
2.a) Регулировка мощности: тиристоры: тиристоры, симисторы, диоды
2.b) Другое применение: диоды, транзисторы
3.) Материалы
4.) Хронология истории
5.) Рекомендуемые Pioneers

1.) Основы

Что такое полупроводник?
Полупроводниковые материалы — это материалы, которые позволяют электричеству проходят за счет потока электронов. Напротив, нормальные проводники имеют ионная проводимость. Различные элементы являются полупроводниками. Один из Первым экспериментировали с германием (Ge) (элемент № 32). Кремний и галлий — более известные полупроводники сегодня.

Полупроводники настолько универсальны в применении благодаря способности люди, чтобы точно контролировать, как эти материалы проводят электричество: контролируя размер кристалла элемента и легируя его, можно добиться желательно резистивно.
Легирование представляет собой введение определенных примесей в чистый образец полупроводник для достижения желаемых свойств. Легирование полупроводника на высоких уровнях заставляет материал действовать больше как проводник, это называется дегенеративным.Слаболегированный полупроводник называется примесью. Существует множество методов легирования материалов, и это очень сложный процесс. Область исследования.

Чтобы понять p-n-переходы и полупроводники лучше, вам нужно будет вложить хорошие деньги количество времени на лекции, это не простое явление и слишком долго рассказывать здесь. Посмотрите 59-минутную вводную лекцию в Solid состояние (полупроводники) от ITT Мадрас здесь.

Будущее:
Полупроводники являются основой бытовой электроники сегодня и будут продолжать быть жизненно важным на долгое время. Технологии, которые заменят многие полупроводники Электроника будет состоять из электроники на основе углеродных нанотрубок и искусственных алмазов. В военные и НАСА используют алмазы вместо кремниевых пластин, потому что они менее подвержены повреждать вредными лучами в космосе. Твердотельные технологии, используемые в нашей электросети и электроника подвержена повреждениям во время солнечных вспышек или других электромагнитных импульсов События.

Строительство:
Полупроводник устройства состоят из одного или нескольких p-n переходов. На рисунке ниже вы увидеть простой полупроводниковый прибор, состоящий из монокристалла арсенид галлия. Область n может быть легирована теллуром, а p область может быть легирована цинком. Есть много материалов, которые можно используется для допинга. У нас есть видео о том, как это работает.

Важно Полупроводниковые приборы:

2.а) Мощность Кондиционирование: тиристоры: тиристоры, симисторы и диоды

(контроль и манипулирование силы для выполнения данной работы):

Тиристоры — семейство полупроводниковых устройств, используемых для выполнения многих работ. это используется в передаче энергии постоянного тока высокого напряжения и содержит не менее 4 слоев полупроводниковых слоев n- и p-типа (устройство PNPN). SCR, диаки и симисторы представляют собой разновидности тиристоров.

Исправление — пропускание тока только в одном направлении.Диоды и тиристоры бывают выпрямители.

SCR — Выпрямитель с кремниевым управлением — Одно устройство, которое может выполнять эту работу реле, переключателя, автоматического выключателя, магнитного усилителя и многих других более. SCR — это управляемый полуволновой выпрямитель. Он используется с мощность переменного тока средней и высокой мощности — от диммеров лампы до управления двигателем к передаче энергии.

SCR позволяет ток должен идти только в одном направлении, как диод, за исключением того, что он только позволяет току проходить, когда он находится на желаемом уровне. Диод позволяет протекать всему току, пока анод остается положительным.

SCR либо «включено» или «выключено». Когда ток подается на один конец, он повышается, когда он достигает заданного значения, разрешается проходить через устройство. Когда ток падает ниже «удерживающего тока» SCR полностью блокирует ток. Когда ток меняет направление, SCR блокирует это как хорошо.

Детали:

Анод — (+) ток течет с этой стороны, электроны выходят с этой стороны
Катод — (-) ток течет с этой стороны.
Gate — устройство может быть включено или выключено воротами

Вы можете увидеть что, контролируя значение, когда ток заблокирован, форма волны нарезан. Допуская пропускание меньшего тока, вы можете уменьшить количество мощности, идущей к электродвигателю, замедляя его. Еще одна вещь вы можете преобразовать переменный ток в постоянный, например, на интерфейсе, где Электроэнергия переменного тока соответствует линии электропередачи HVDC.

Это был улучшение того, что механические или ртутные выключатели дуги приводят к дуга образуется при физическом сближении двух проводников.Эта дуга может вызвать опасный скачок напряжения, который может повредить чувствительную электронику. Еще одно улучшение состоит в том, что SCR предотвращает утечку тока. через, когда он в выключенном состоянии. Это устройство было одним из самых важные ранние разработки в электронике. Впервые построен Бобом Hall в GE, на основе рудиментарной работы устройств PNPN в Bell Labs.

Симистор — Используется как триггер для SCR. Подобен SCR, за исключением того, что он может сделать полное выпрямление волны. Концепция, разработанная Биллом Гуцвиллером и построенная Гордон Холл (GE) (1957). Подробнее о симисторах здесь>

Diac — (Диод для переменного тока). Как SCR, за исключением того, что он работает в обоих направлениях. Он не проводит до тех пор, пока не появится напряжение отключения. отпускается, затем он проводит до тех пор, пока ток не упадет ниже определенного порог.При изменении полярности все будет работать так же. опять таки.

Есть несколько видов диак. Силовой диак в Японии называется сидак и был первым использовались в первых диммерах ламп, продаваемых потребителям в США. Этот диак был построен Хатсон из Техаса. Позже этот диакритический диммер был заменен на SCR.

Другой сигнальный диод, называемый диаком, представляет собой низковольтное устройство, используемое в основном для затвора. Тиристоры и симисторы, но не способны передавать какую-либо определенную мощность.

Существуют и другие диаки, официально известные как квадрак (комбинация диак-симистор) и генераторы переменного тока. Сегодня устройства сейчас доступны до 3000 ампер и 10 кВ с как минимум 25 различными структурами.

Подробнее о диаках здесь>

2.b) Другое применение: диоды и транзисторы:

Диод — Может быть изготовленным из полупроводников или в виде вакуумной лампы. Имеет низкое сопротивление в одном направлении и высокое сопротивление в другом. Он действует как односторонний клапан в водопроводной трубе (водопровод — хороший аналогия) Он может преобразовывать переменный ток в Постоянного тока, он также используется для обнаружения сигналов VHF, UHF и в качестве измерителя выпрямитель. Первый тип полупроводника был сделан из германия. Применения и типы: туннельный диод, Светодиоды, лазер, и узнайте больше о различных типах диодов>

Вверху: большой старый ВЧ блок питания, используемый для питания микроволновой печи. (предварительно твердое состояние).Эта тяжелая «коробка» имеет длину около 1,5 дюйма (45 см).

Вверху: твердотельный ВЧ источник питания, который выполняет ту же работу. как тяжелый ящик слева. Этот очень легкий и маленький. Твердотельные устройства стабилизации мощности позволяют для гораздо меньших компьютеров и бытовой техники.

Подробнее Приложения и устройства:
Слишком много приложений материала, чтобы перечислить, однако вы можете щелкнуть следующие ссылки, чтобы просмотреть соответствующие страницы и видео на веб-сайт Технического центра Эдисона.

3.) Материалы:

Узнайте о многих материалах Периодической таблицы, которые являются полупроводниками:

Германий
Кремний
Индий
Галенит
Подробнее

Видео ниже: основы создания интегральных схем на кремниевых пластинах (часть нашей серии «Медь» в нашей серии «Электрический мир»).

4.) История:

Основные события и даты:

1906 — Первая полупроводниковый прибор: ‘Cat’s Разработан детектор Whisker — использует провод в тесном контакте с Galena
. 1925 — Идея полевого транзистора, разработанная Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом, но он не мог построить рабочую модель из-за некачественных материалов.
1934 — Oskar Heil также разрабатывает полевой транзистор
1947 — Бардин и Браттейн открывают эффект усиления в германии. в Bell Labs. Это первый точечный транзистор
. 1948 — Точечный транзистор также независимо обнаружен в Германии
1949 — Вернер Якоби создает первую «интегральную схему». состоит из 5 транзисторов
1953 — Первый транзистор, коммерчески проданный компанией Philco
. 1954 — Первый кремниевый транзистор, сделанный Texas Instruments.
1955 — Первый все транзисторные автомобильные радиоприемники производства Philco
Вверху: Боб Холл (слева) и Сол Душман смотрят большой сингл кристалл германия в General Electric.Работа Холла привела к значительным улучшениям в транзистор, тем временем в тех же лабораториях GE вакуумные лампы были заменены из хрупких больших стеклянных трубок на керамические прочные цилиндры размером с горошину. Руководство GE решило отложить свое ожидание в пользу новых небольших электронных ламп. Колокол Лаборатории в конечном итоге выиграли в этой битве, заменив лампы на твердотельные.

1956 — Первые коммерческие тиристоры доступный

1957 — Гордон Холл и Фрэнк У.(Билл) Гуцвиллер разрабатывает SCR (кремниевый выпрямитель). в General Electric. Гуцвиллер нарисовал идею на бумаге, пока Холл ее строил, и, по мнению некоторых, заслуживает похвалы. Гордон Холл на объекте Клайд отдела полупроводниковой продукции был оспорен своего менеджера Рэя Йорка, чтобы проверить, сможет ли он использовать SCR, о котором на тот момент только предполагалось. Он был успешным однако Боб Муни (патентный поверенный) считал, что защита заявки будет стоить очень дорого. что это не будет чем-то, что СДПГ может себе позволить.

Обратите внимание, что многие люди помогли разрабатывают эту технологию в Bell Labs и General Electric. Ник Холоньяк и Дик Олдрич покинули Bell Labs и были отправлены в лабораторию Advanced Semiconductor Lab в GE Syracuse под направление Харриса Салливана. Как и в случае с МРТ и другими технологиями, существует Было много споров по поводу того, кто изобрел устройство. «Билл [Гуцвиллер] был менеджером Application Engineering и предположил, что было бы замечательно иметь выпрямитель с управляющий электрод.Но такие предложения не являются изобретением и не сводятся к упражняться.»

1958 — Texas Instruments создает первую настоящую «интегральную схему». состоящий из одного куска полупроводникового материала с несколькими компонентами внутри него.

1960 — Первая МОП — транзистор полевой металл-оксид-полупроводник

5.) Рекомендуемые Пионеры:

Колокол Лаборатории:
Джон Бардин (транзистор)
Уильям Шокли (транзистор)
Уолтер Браттейн (транзистор)
Фред Зейтц (физика твердого тела)
Гордон Тил и Морган Спаркс — разработал метод двойного легирования германия

.

Джон Молл — переключатель PNPN (свинцовый в SCR)
Карл Фрош — обнаружил маскирующий диоксид кремния
Моррис Таненбаум —

Здесь со временем будут добавлены новые имена

Общие Электрический:
Роберт Н.Холл — полупроводниковый лазер, Транзисторы, SCR, изобрели процесс диффузии сплава. Schenectady
Закажите с ним полное видео-интервью. Показать # T007. Пожертвовать чтобы получить это на DVD.
William Dunlap —
Crawford Dunlap — легирование германием, улучшение процесса диффузии сплава

Николай Холоняк — красный светодиод, Симисторные, металлические тонкопленочные технологии. (также работал в Bell Labs). Сиракузы

Ричард Олдрич — Triac.Сиракузы
Ray York — Triac. Сиракузы
Finis Gentry — Triac. Сиракузы

Берни Бедфорд — SVC — Статический Компенсатор VAR. Schenectady
Билл Гуцвиллер — изобретатель симистора, SCR — кремниевого выпрямителя. Clyde

John Harnden Jr. — GEMOV — Металлооксидный варистор и кондиционирование питания, SCR. Скенектади.
Билл Моррис — GEMOV — Металлооксидный варистор. Schenectady
Fracois Martzloff — GEMOV
Joe Wong — GEMOV
William Kornrumpf — SCRs.Скенектади

John Saby — переход из сплава Транзистор — Syracuse
Addison Sheckler — улучшенные диоды с помощью методов кристаллизации — Сиракузы
Джерри Суран — Двойной базовый диод. Сиракузы

RCA:

Жак Панков — переход из сплава транзистор

Texas Instruments:

Гэри Питтман (Первый светодиод, инфракрасный)
Bob Biard (Первый светодиод, инфракрасный)

Monsanto:

Джордж Крэфорд (желтый светодиод)

Другое Компании / университеты:

Сюдзи Накамура (синий светодиод)

Подробнее о Изобретатели светодиодов

Роберт Нойс — Triac
Вернер Якоби

Рекомендуемые видеоролики по истории полупроводников:

GE Semiconductor Business, устная история с докторомОливер Винн — Бывший менеджер микропроцессорного подразделения General Electric

Связанные темы:

Статья M.W. & J.Harnden

Источники:

Полупроводник Исследования и разработки в General Electric , Марк П.Д. Burgess
Видео-интервью с Робертом Холлом , Технологическим центром Эдисона. 2008. Выставка # T007
светодиодов и OLED, Edison Tech Center.2012
Википедия: Транзисторы, диоды, симисторы
Оливер Винн — инженер-электрик
Теория биполярных транзисторов Чака МакМаниса. 2003.

История полупроводников — EITC

[История полупроводников — Hitachi]

— Обзор

История рождения полупроводников восходит к изобретению выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный) в 1874 году.Десятилетия спустя Бардин и Браттейн из AT&T Bell Laboratories в США изобрели точечный транзистор в 1947 году, а Шокли изобрел переходной транзистор в 1948 году. Это ознаменовало наступление эры транзисторов. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер с использованием электронных ламп. Компьютер был настолько большим, что его электронные лампы занимали все здание, потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный вычислитель (компьютер), и с тех пор компьютеры выросли не по дням, а по часам.В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттейну за их вклад в исследования полупроводников и разработку транзисторов.

Полупроводниковая промышленность быстро росла после изобретения транзистора. В 1957 году он уже перевалил за 100 миллионов долларов. В 1959 году биполярная интегральная схема (ИС) была изобретена Килби из Texas Instruments и Нойсом из Fairchild Semiconductor в США. Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников и ознаменовало начало эры IC.Будучи небольшими по размеру и легким, ИС широко использовалась в различных электроприборах.

[Оригинальная интегральная схема Джека Килби — Texas Instrument]

— Эра IC (интегральная схема)

Интегральная схема (также известная как ИС, микросхема, микрочип, кремниевый чип или чип) — это монокристаллический полупроводниковый кристалл, содержащий как активные, так и пассивные компоненты и их соединения.

Джек Сент-Клер Килби был американским инженером-электриком, который участвовал в создании первой интегральной схемы во время работы в Texas Instruments в 1958 году. В 2000 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. 12 сентября 1958 года Джек Килби из Texas Instruments имел построил простую ИС генератора с пятью интегрированными компонентами (резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы). У изобретения Килби был серьезный недостаток: отдельные элементы схемы были соединены вместе с помощью золотых проводов, что затрудняло масштабирование схемы до любой сложности.

К концу 1958 года Джин Хорни из Fairchild разработала структуру с N- и P-переходами, сформированными в кремнии. Над переходами в качестве изолятора использовался тонкий слой диоксида кремния, и в диоксиде кремния протравливались отверстия для соединения с переходами. В 1959 году Роберту Нойсу, также из Fairchild, пришла в голову идея испарить тонкий металлический слой над контурами, созданными с помощью процесса Хорни. Слой металла соединялся с переходами через отверстия в диоксиде кремния, а затем вытравливался в узор для соединения цепи.

Планарная технология заложила основу для сложных интегральных схем и используется сегодня. Планарный процесс — это производственный процесс, используемый в полупроводниковой промышленности для создания отдельных компонентов транзистора и, в свою очередь, соединения этих транзисторов вместе. Это основной процесс, с помощью которого создаются современные интегральные схемы.

В 1967 году компания Texas Instruments разработала настольный электронный калькулятор (калькулятор) с использованием микросхемы IC. Производители электронного оборудования один за другим выпускали калькуляторы, и ожесточенные «вычислительные войны» продолжались до конца 1970-х годов.Интеграция ИС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная схема (БИС). Технологии продолжают развиваться. СБИС (от 100 тысяч до 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1980-х годах, а ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1990-х годах. В 2000-х годах системная БИС (многофункциональная БИС с множеством функций, интегрированных в одну микросхему) была запущена в серийное производство. По мере того, как IC прогрессирует в направлении высокой производительности и множественности функций, область ее применения широко расширяется.Полупроводники сейчас используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.

О полупроводниках | SIA | Ассоциация полупроводниковой промышленности

Сильная полупроводниковая промышленность жизненно важна для экономической мощи Америки, национальной безопасности и глобальной конкурентоспособности.

Полупроводники — это основополагающая технология практически для всех сфер нашей экономики. Полупроводники были изобретены в Америке, и США.S. по-прежнему является мировым лидером в области производства и дизайна.

В полупроводниковой промышленности напрямую занято около 250 000 рабочих в Соединенных Штатах, и на каждую прямую работу приходится 4,89 рабочих мест, поддерживаемых в других частях экономики США. Это составляет более 1 миллиона дополнительных рабочих мест в результате процветающей полупроводниковой промышленности США. Еще более впечатляющим является то, что за работу в полупроводниковой промышленности платят в среднем в 2,5 раза больше, чем средняя зарплата всех рабочих в США.

Полупроводники — четвертый по величине экспорт Америки после самолетов, рафинированного масла и автомобилей. Вопреки распространенному мнению, что большинство высокотехнологичных производств было перенесено в Азию, передовое производство полупроводников остается сильным в США. Фактически, около половины производственной базы американских полупроводниковых компаний находится в Соединенных Штатах.

Ключ к поддержанию достижений, которые питают нашу промышленность и экономику США, — это исследования. К сожалению, доля инвестиций США в НИОКР в ВВП за последние десятилетия снизилась.Например, доля валовых внутренних расходов США на НИОКР, финансируемых государством, снизилась с 47,1 процента в 1981 году до 33,4 процента в 2011 году. (Источник: ОЭСР) За последние десять лет расходы на НИОКР как доля от экономического производства оставались почти постоянна в США, но увеличилась почти на 50 процентов в Южной Корее и почти на 90 процентов в Китае. (Источник: NSF S&E Indicators 2012)

компаний-членов SIA продолжают инвестировать и расширяться в США, строя новые и расширенные современные производственные мощности по всей стране.В целом американские полупроводниковые компании сохраняют около 50 процентов доли мирового рынка на высококонкурентном рынке. (Источник: SIA / iSuppli / WSTS)

Процветающая полупроводниковая промышленность США означает сильную американскую экономику, высокооплачиваемые рабочие места и огромное влияние на страну. Проще говоря, полупроводники укрепляют нашу страну.

часто задаваемых вопросов о полупроводниках: все, что вам нужно знать

Термин «полупроводник» стал еще более популярным в 2020/2021 году с новостями о нехватке полупроводников.За последние семь десятилетий он стал основой производства электронных устройств.

Полупроводники считаются сердцем современной электроники и их производства, поскольку они помогают электрическим устройствам обрабатывать информацию максимально эффективно и компактно.

В конце концов, отрасль высококонкурентна — ожидается, что продажи во всем мире вырастут до 527,2 миллиарда долларов, а темпы роста в 2021 году, по прогнозам, достигнут 8,4%.

Вот что нужно знать о полупроводниках, для чего они используются и более часто задаваемые вопросы.

Что такое полупроводник и для чего он используется?

Прежде чем перейти к обсуждению, давайте начнем с того, что такое полупроводник. Материалы, используемые в производстве электроники, подразделяются на три группы — проводники, изоляторы и полупроводники — в зависимости от их способности проводить электричество.

Проще говоря, полупроводники — это материалы, которые проводят только часть тока, то есть они не являются ни полными проводниками электричества, ни изоляторами, но обладают их характеристиками.

Электропроводность полупроводника может быть изменена в соответствии с любыми конкретными проводящими потребностями, которые должен удовлетворять продукт, что делает его очень гибким материалом.

Полупроводники, также известные как «полуфабрикаты» или «микросхемы», используются в производстве электроники для поддержки функциональности электронных устройств.

Производители в основном используют их в небольших устройствах, таких как смартфоны, компьютеры, часы, телевизоры, медицинские устройства и игровое оборудование. Устройства, использующие полупроводники, особенно компактны, надежны, обладают высокой энергоэффективностью и предлагают недорогие решения при производстве электронных продуктов.

Полупроводники можно разделить на четыре группы: микросхемы памяти, стандартные интегральные схемы, микропроцессоры и сложные «системы на кристалле».

Чем полупроводник отличается от проводника или изолятора?

Как уже упоминалось, полупроводник — это материал, который не является ни проводником, ни изолятором, но имеет их характеристики. Давайте углубимся в поведение каждого вопроса.

Материал в проводнике позволяет электронам свободно перемещаться от атома к атому.Проводящий объект позволит заряду переноситься по всей поверхности объекта.

С другой стороны, изоляторы представляют собой материалы, которые препятствуют потоку электронов от частицы к частице. Когда заряд передается на изолирующий объект, избыточное количество остается в первоначально заряженном месте, поскольку изоляторы не допускают свободный поток электронов.

Полупроводник находится где-то между изолятором и проводником. Его проводящие способности ограничены, но полупроводник все же не так препятствует прохождению электричества, как изолятор.

Металлы обычно являются хорошими проводниками, поэтому в электропроводке часто можно встретить медь или алюминий. С другой стороны, дерево, бумага, резина и стекло имеют очень плохую или почти несуществующую электрическую проводимость.

Полупроводники обычно изготавливаются из кремния (Si), второго по распространенности элемента на Земле. Конечный продукт известен как кремниевая пластина — тонкий слой полупроводника, сделанный из кристаллического кремния, который позже используется в качестве подложки для создания микроэлектронных устройств.

Кто изобрел полупроводник?

Полупроводники были изобретены не столько, сколько их открыли . И хотя сам материал не был разработан, было много изобретений полупроводниковых устройств. Открытие этого материала стало настоящим прорывом, позволившим электронной промышленности значительно продвинуться вперед.

Использование полупроводников позволило сделать электронные устройства меньше и такими же миниатюрными, как сегодня.Полупроводящий материал также используется в таких деталях, как транзисторы, диоды и фотоэлектрические элементы.

Алессандро Вольта был первым, кто использовал термин «полупроводник» в 1782 году, а Майкл Фарадей был первым, кто наблюдал полупроводниковый эффект в 1833 году. Фарадей обнаружил, что электрическое сопротивление сульфида серебра снижается с температурой. В 1874 году, почти сто лет спустя, Карл Браун обнаружил и отметил первый эффект полупроводникового диода.

Первое полупроводниковое устройство было запатентовано в 1901 году и получило название «кошачьи усы».Его изобрел Джагадис Чандра Бос, и машина использовалась для обнаружения радиоволн.

В 1947 году транзистор был изобретен совместно Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs.

Почему не хватает полупроводников?

На дефицит электронных компонентов, особенно полупроводников, влияют разные обстоятельства. По сути, это было вызвано торговой войной между США и Китаем, которая началась в 2018 году и продолжалась до 2021 года.

Вспышка коронавируса тоже не помогла. Поскольку люди остаются дома и работают там, потребность в электронных устройствах, таких как ноутбуки и телефоны, резко возросла. Людям нужно больше электроники для работы и развлечений, и производители электронных устройств не успевают.

Если вас интересует, как вы можете спасти свою компанию от нехватки полупроводников, вы можете узнать больше о текущей нехватке здесь.

Что такое полупроводниковая компания?

Компания, производящая полупроводники, производит полупроводники или электронную продукцию.Их еще называют производителями электроники (EMS).

Если вы ищете компанию EMS, с которой можно было бы работать над своим полупроводниковым или электронным продуктом, вот что нужно искать в партнерах EMS, прежде чем подписываться на пунктирной линии.

полупроводников | Типы + Работа + Использование + История |

Полупроводник — это материал, известный своим использованием в цифровом мире. На нем основано большинство электронных устройств. Из него создаются небольшие устройства, такие как диод, транзистор и интегральные микросхемы (IC).Эти устройства используются в компьютерах, играх, радио, мобильных телефонах, роботах, автоматических заводах и многих других. Технологии, которые нас сегодня окружают, в основном основаны на полупроводниках.

Что такое полупроводники?

Полупроводники помещаются между проводником и изолятором. Полу означает половину, а проводник означает материал, по которому течет ток. Изолятор останавливает ток. Следовательно, полупроводник — это материал, который обладает свойствами как проводника, так и изолятора.

Медный проводник позволяет легко пропускать электрический ток. С другой стороны, резина или дерево являются изолятором и не пропускают электрический ток. Но полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, могут быть изготовлены таким образом, что при определенных условиях они могут действовать и как проводник, и как изолятор.

Типы полупроводников

Есть два типа полупроводников: внутренние и внешние. Полупроводник в нормальном состоянии называется собственным полупроводником.«Внутренний» означает, что не содержит каких-либо добавок внешних материалов или примесей.

Однако внешний полупроводник содержит добавку других материалов для увеличения его электрической прочности. Внешний материал известен как примесь, а процесс добавления примесей известен как легирование. В процессе легирования получают полупроводники двух различных типов; один называется материалом N-типа, а другой — материалом P-типа.

Полупроводниковые приборы

После легирования полупроводниковые материалы объединяются в слои, чтобы сделать их полезными в электронике.Блоки N-типа и P-типа объединяются для образования различных типов полупроводниковых устройств. Некоторые из полупроводниковых устройств являются диодными, транзисторными и тиристорными.

Как работают полупроводники?

Полупроводники сами по себе не так уж и впечатляют. Они становятся очень полезными, когда их легируют и объединяют в слой, чтобы сформировать полупроводниковое устройство. Существует много полупроводниковых устройств, но для простоты мы рассмотрим двухслойные и трехслойные полупроводники.

Работа с двумя слоями полупроводников

Когда на полупроводниковое устройство с двумя слоями (комбинация N-типа и P-типа) подается напряжение, через него проходит ток.Ток проходит от блока N-типа к блоку P-типа. Следовательно, он ведет только в одном направлении. Но при изменении полярности напряжения полупроводниковый прибор не пропускает ток. Это двухслойное и двухконтактное устройство также известно как диод.

Трехслойная обработка полупроводников

Другой компоновкой может быть трехслойное устройство, то есть NPN или PNP; Где либо два блока могут быть N-типа с одним P-типом или два блока P-типа с одним N-типом. В этом случае, чтобы запустить полупроводниковое устройство с 3 слоями и 3 выводами, напряжение будет подаваться на выводы блоков NP и PN.Трехслойный полупроводниковый прибор еще называют транзистором. Вам следует ознакомиться с нашей статьей о транзисторах, чтобы понять, как они работают.

Применение полупроводников

Полупроводники широко используются как в аналоговой, так и в цифровой электронике. Его приложений очень много. Вот некоторые из них:

• Отопление и охлаждение — Полупроводники используются в системах охлаждения или обогрева, таких как кондиционеры, холодильники и другие. Полупроводниковое устройство помогает системе охлаждения контролировать и поддерживать температуру.Точно так же микроволновая печь также использует полупроводниковое устройство для создания необходимого тепла с помощью датчика температуры.
• Преобразование переменного / постоянного тока — Полупроводники также используются в зарядных устройствах для аккумуляторов для преобразования мощности переменного тока в постоянный или постоянного тока в переменный. Для зарядки мобильного телефона или ноутбука в зарядном устройстве используются различные полупроводниковые устройства, которые преобразуют бытовую электроэнергию в постоянный ток.
• Электронная связь — также используется для повышения мощности сигнала.Все устройства связи, такие как мобильные телефоны, спутники, радио, рации и антенны, используют широкий спектр полупроводниковых устройств, поэтому они могут общаться на больших расстояниях.
• Развлечения — В играх и телевидении также используются полупроводники. Потому что, когда им нужно отображать тяжелые изображения с большими мегапикселями, им нужно быстрее их обрабатывать. Таким образом, полупроводниковые устройства, такие как транзисторы и другие интегральные схемы, обрабатывают их.
• Компьютеры — Компьютерные системы — основное применение полупроводников.Современные процессоры содержат миллиарды полупроводниковых устройств (транзисторов), которые работают быстрее. Это помогает им не только обрабатывать изображения, но и обрабатывать большие объемы данных.
• Транспорт — Умные автомобили используют полупроводниковые устройства для контроля и отслеживания их местоположения, скорости и направления.
• Исследование космоса — Самолеты, космические челноки, космические зонды и марсоходы также используют множество полупроводниковых устройств или микросхем, которые помогают им запускать двигатель, поддерживать скорость и отслеживать их направление.

История полупроводников

Реплика первого транзистора, разработанного в лаборатории Белла в 1947 году.

Полупроводники были впервые использованы в 1820-х годах. Но первое полупроводниковое устройство было разработано Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году, известное как кристаллический детектор — диод. Позже, в 1947 году, Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн изобрели транзистор в лаборатории Белла.

В 1958 году в лаборатории Bell Lab египетский инженер Мохамед Аттала изобрел металлооксидный полупроводниковый транзистор или МОП-транзистор.Этот транзистор был быстрее, чем предыдущий. В том же году Джек Килби, инженер Texas Instruments, и Роберт Нойс, инженер Fairchild Semiconductor, изобрели первую интегральную схему (ИС).