Сколько лет науке о полу



жүктеу 210.62 Kb.
Pdf просмотр
Дата08.09.2017
өлшемі210.62 Kb.
#12115

ÑÒÐÀÍÀ

ÇÍÀÍÈÉ

6

№ 1  2015

1. Введение

Сколько  лет  науке  о  полу-

проводниках?  На  этот  простой

вопрос не сразу ответят даже те,

кто всю свою жизнь проработал

в этой области. Ведь с отдельны-

ми  полупроводниками  (напри-

мер, с кремнием) люди имели де-

ло с давних времён – правда, не в

их «электрической ипостаси». 

Начиная с XVIII века, учёные

активно изучали электрические

свойства различных материалов,

которые  мы  сегодня  называем

полупроводниковыми. Но где та

грань, которая отделяет разроз-

ненные эмпирические наблюде-

ния от науки о полупроводниках,

с  собственным  чётко  очерчен-

ным  предметом  исследования?

Когда физики стали чётко выде-

лять  полупроводники  как  от-

дельный класс материалов? 

Ответ на этот вопрос попро-

буем дать на основе обзора экс-

периментальных  фактов  и  тео-

ретических гипотез, которые на-

капливались на протяжении дли-

тельного времени и в начале ХХ

века привели к появлению новой

отрасли знаний – науки о полу-

проводниках. 



2. Проводники и изоляторы

В  1729  году  англичанин



Стивен  Грей (1679–1736)  от-

крыл  явление  электропроводи-

мости.  Он  взял  стеклянную  бу-

тылку и закрыл её пробкой, в ко-

торую  воткнул  металлический

стержень  с  шариком  из  слоно-

вой кости на конце. Затем он на-

электризовал бутылку лоскутом

сукна. Оказалось, что электриче-

ство  перешло  с бутылки  на  ша-

рик, так как к шарику стали при-

тягиваться мелкие пылинки, лос-

куты бумаги и т. п.

Продолжая опыты, Грей уста-

новил, что электричество хорошо

проводят  не  только  металличе-

ские  провода,  но  и  угольные

стержни, мышцы человека и жи-

вотных. Причём, начав с коротких

металлических стержней, учёный

доказал наличие проводимости в

проводах длиной до 250 метров.

Он убедился: электричество оди-

наково легко «перетекает» как по

горизонтальным, так и по верти-

кальным 


проводникам 

(тогда


электричество  представляли  как

особую жидкость, и исследуемый

Греем факт затем требовал экспе-

риментальной проверки).

В  то  же  время  Грей  устано-

вил: электричество не проводят

каучук,  воск,  шёлковые  нити  и

фарфор, которые могут служить

изоляторами и  препятствовать

утечке  электричества.  О  своих

опытах учёный сообщил в пись-

ме  Королевскому обществу от 8

февраля 1731 г. Однако причины

такого  различия  в  поведении

различных веществ учёный объ-

яснить, конечно же, не мог.

Как  утверждает Георг  Буш,

слово  «полупроводник» впервые

употребил знаменитый итальян-

ский учёный Алессандро Вольта

(1745–1827) в докладе перед Лон-

донским Королевским обществом

14 марта 1782 года. Прикасаясь к

электрометру различными пред-

метами, он установил, что прикос-

новение  металла  приводит  к

мгновенному  разряду  электро-

метра, прикосновение диэлектри-

ком не разряжает электрометр со-

всем,  но  существуют  определён-

ные  материалы,  через  которые

электрометр  тоже  разряжается,

но  в  течение  некоторого  конеч-

ного времени. Их Вольта и назвал

«полупроводниками».

В 1800 году, поставив друг на

друга  более  ста  металлических

(цинк и серебро) кружочков, раз-

делённых смоченной солёной во-

дой бумагой, Вольта получил до-

вольно  мощный  источник  элек-

тричества  –  «вольтов  столб».  В

противоположность 

предыду-


щим источникам электричества,

в  основе  которых  лежала  элек-

тризация 

трением, 

«вольтов

столб» действовал не одно мгно-

вение  разряда,  а  постоянно,  что

открыло огромные возможности

перед физиками и инженерами. 

ÔÈÇÈÊÀ


ÔÈÇÈÊÀ

Алессандро Вольта

(1745–1827) 

7

СТОЛЕТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАУКИ: ИСТОКИ И УКРАИНСКИЙ ВКЛАД

Используя только открытую

термопару (она давала более ста-

бильное напряжение, чем «воль-

тов  столб»),  немецкий  учёный

Георг  Симон  Ом (1787–1854)

сумел в 1826 г. установить основ-

ной закон электрических цепей,

названный его именем.



3. Полупроводники:

первые

экспериментальные факты

Используя  «вольтов  столб»,

английский физико-химик Хэм-

фри  Дэви (1778–1829)  в  1821

году  установил  факт  зависимо-

сти  электрической  проводимо-

сти  от  температуры,  причём  с

увеличением температуры про-

водимость металлов (тогда упо-

требляли термин «сила проводи-

мости»  –  «conducting  power»)

уменьшалась. 

Гениальный 

ученик 

Дэви


Майкл  Фарадей (1791-1867)  в

1833 году обнаружил удивитель-

ное  свойство  сульфида  серебра

Ag

2



S: при комнатной температуре

его  проводимость  была  очень

низкой,  однако  при  175°С  резко

возрастала  до  «металлических»

значений.  Таким  образом,  было

открыто, что проводимость с тем-

пературой может в отдельных ве-

ществах расти. К сожалению, Фа-

радей, который отдавал предпоч-

тение качественным эксперимен-

там, не оставил при этом никаких

количественных таблиц или гра-

фиков.

Позже оказалось, что на про-



водимость твёрдых тел может вли-

ять  не  только  температура,  но  и

свет.  В  1839  году  молодой  фран-

цузский  физик  Эдмон  Бекке-



рель

(1820-1891),  поместив  в

электролит пластинку хлорида се-

ребра с платиновыми контактами,

впервые  заметил  явление  фото-

эффекта – появления напряжения

при  освещении.  Английский  ин-

женер  Уиллоуби  Смит (1828-

1891) в 1873 году установил факт

резкого уменьшения сопротивле-

ния  селена  при  его  освещении.

Благодаря этому эффекту на про-

тяжении  почти  полутора  веков

действуют  различные  экспоно-

метры. Однако физическая приро-

да  эффекта  оставалась  непонят-

ной на протяжении почти 60 лет.

В  следующем,  1874  году  не-

мецкий  физик  и  изобретатель

Карл 

Фердинанд 

Браун

(1850–1918)  открыл,  что  точеч-

ный контакт металла с сульфидом

металла может быть выпрямите-

лем:  пропускать  ток  в  одном  на-

правлении и не пропускать в дру-

гом. Это открытие широко приме-

нялось  в  первых  «детекторных»

приёмниках,  которые  не  нужда-

лись  в  электрическом  питании

(поэтому использовались в укра-

инских сёлах вплоть до 1950-х го-

дов).  Позже  Браун  активно  со-

трудничал с изобретателем радио



Гульельмо Маркони, и им вме-

сте присудили Нобелевскую пре-

мию по физике в 1909 г.

4. Классическая теория

электропроводности

Новым мощным методом из-

учения твёрдых тел стало приме-

нение эффекта Холла, открытого

американцем Эдвином Холлом

(1855-1938)  в  1879  году.  Однако

физическая  природа  носителей

заряда  в  проводниках,  которые

отклоняются при движении маг-

нитным полем, всё еще была не-

понятной  (этот  вопрос  долго

оставался открытым, с XVIII века

верили  в  существование  специ-

альной  «электрической  жидко-

сти», способной перетекать между

телами). В 1897 году английский

учёный  Джозеф  Джон  Томсон

(1856-1940)  показал,  что  катод-

ные лучи состоят из отрицатель-

но заряженных частиц - электро-



нов. Так был окончательно решён

вопрос о материальных перенос-

чиках электрического тока.

На основе этих открытий не-

мецкий  учёный  Пауль  Друде

(1863-1906)  построил  классиче-

скую электронную теорию элек-

тропроводности металлов (1900).

Согласно ей, ток в металле пере-

носят  электроны,  которые  ведут

себя как классический идеальный

газ. В промежутках между столк-

новениями  (среднее  время  сво-

бодного  пробега  между  двумя

столкновениями  обоз начим 

t)

они двигаются свободно, пробе-



гая  некоторый  путь.  Столкнове-

ния электронов происходят пре-

имущественно с ионами решётки,

и это приводит к тепловому рав-

новесию между электронным га-

зом и кристаллической решёткой

(в  этом

заключается  отличие

электронного  газа  от  обычного,

где  молекулы  газа  рассеиваются

друг на друге). Среднюю скорость

теплового движения электронов

можно оценить как:

где Т –  температура, – посто-

янная  Больцмана,  m

o

–  масса-



o

m

kT

~

   



 

 

   



 

 

                                                                                  (1) 



 

                                                                                     (2) 

 

e

                                                                                     (3) 

 

E

                                                                               (4)    

 

 

Георг Симон Ом



(1787–1854) 

Майкл Фарадей

(1791-1867)  

Карл Фердинанд Браун

(1850–1918) 

CÒÐÀÍÀ

ÇÍÀÍÈÉ

электрона. При комнатной тем-

пературе эта скорость по поряд-

ку величин равна 10

7

см/с.


С приложением электриче-

ского поля с напряжённостью Е

электроны начинают двигаться с

ускорением:

(1)

Средняя  скорость  электро-



нов, переносящих ток в поле, со-

ставит  примерно  половину  той

скорости, 

которую 


электрон

приобретёт  перед  очередным

столкновением:

.                 (2) 

Плотность тока из его «элек-

тростатического  определения»

(ток – это заряд, проходящий че-

рез  единицу  сечения  в  единицу

времени) легко записать как:

.                (3) 

Здесь  n

–  концентрация

электронов (их число в единице

объёма  –  его  можно  экспери-

ментально  определить  из  эф-

фекта  Холла),  е –  заряд  одного

электрона. Подставив в это выра-

жение  среднюю  скорость  элек-

тронов (2), получим:

.               (4) 

Это  выражение  совпадает  с

записью закона Ома для участка

цепи 

в 

дифференциальной



форме:

.               (5)

Более того, объяснив закон

Ома,  теория  дала  и  выражение

для удельной электропроводно-

сти (величины, обратной удель-

ному сопротивлению):

.              (6)

Поскольку 

концентрация

электронов  во  всех  металлах

примерно  одинакова,  зависи-

мость проводимости от темпера-

туры  и  характеристик  металла

определяется средним временем

свободного пробега. Более того,

поскольку с повышением темпе-

ратуры электроны должны рас-

сеиваться интенсивнее, среднее

время  жизни  и  проводимость

должны падать. Так теория каче-

ственно объяснила установлен-

ное экспериментально ещё Дэви

увеличение удельного сопротив-

ления  металлов

с  тем-


пературой (что справедливо для

диапазона  не  слишком  низких

температур):

(7)


где  –  температура  в  градусах

Цельсия, 

a – коэффициент про-

порциональности.  (Аналитиче-

ски  формулу  (7)  для  диапазона

достаточно  высоких  темпера-

тур с учётом рассеяния электро-

нов  на  колебаниях  решётки  –

фононах 

получил 


Феликс

Блох только в 1930 году).

Наконец,  на  качественном

уровне  стала  понятна  и  разни-

ца  между  металлами  и  диэлек-

триками:  у  первых  есть  много

электронов проводимости (это

обусловливает их характерный

«металлический»  блеск  –  по-

верхностный заряд хорошо от-

ражает свет), у вторых электро-

нов  проводимости  почему-то

нет.


Для  подтверждения  теории

Друде  был  поставлен  ряд  опы-

тов.  Немецкий  физик  Карл

Рикке в  1901  году  взял  три  ци-

линдра  –  два  медных  и  один

алюминиевый  –  с  хорошо  от-

шлифованными  торцами,  взве-

сил  их  и  поставил  последова-

тельно  в  круг  медь-алюминий-

медь.  Через    таким  образом со-

ставленный  проводник  в  тече-

ние года непрерывно пропуска-

ли постоянный ток. За год через

этот  проводник  прошёл  огром-

ный заряд, около 3,42 · 10

6

Кл. 


Исследование цилиндров по-

казало, что пропускание тока не

повлияло на вес цилиндров. Бо-

лее  того,  не  было  обнаружено

проникновения одного металла

в  другой  на  торцах  цилиндров.

Таким образом, опыты показыва-

ли, что перенос заряда в металле

осуществляется не атомами, а та-

ки электронами.



5. Кенигсбергер вводит

понятие о новом классе

материалов

Однако наличие материалов,

сопротивление которых с темпе-

ратурой уменьшается, теория Дру-

де  объяснить  не  могла.  Следую-

щий шаг в попытках объяснить та-

кую  «аномалию»  сделал  профес-

сор Фрайбургского университета

в  Германии  Иоганн  Георг  Ке-

нигсбергер (1874–1946). 

Профессор 

Кенигсбергер

был разносторонним учёным, его

работы касались электрических,

оптических 

и 

термических



свойств  многих  природных  ми-

нералов и искусственных соеди-

нений. Кроме того, учёный инте-

ресовался  спектроскопией,  тер-

мическим излучением и геофизи-

ческими явлениями.

Кенигсбергер вместе с Шил-

лингом показал, что температур-

ная  зависимость  удельного  со-

противления  ряда  материалов

(например, титана и циркония),

имеет вид кривой с минимумом,

а  сопротивление  кремния  сни-

жается во всём исследуемом диа-

пазоне температур.

Рис.1. Температурная

зависимость удельного

сопротивления Si, Ti, Zr

(графики из работы

Кенигсбергера, которая вышла в

1908 году)

 

   


 

 

   



 

 

                                                                                  (1) 



 

                                                                                     (2) 

 

e

                                                                                     (3) 

 

E

m

n

e

j

2

2



                                                                               (4)    

 

 



E

j

                                                                                      (5)

 

m

                                                                                    (6) 

 

                                                                          (7) 



 

                                                                                      (5)

 

m

n

e

2

2



                                                                                    (6) 

 

                                                                          (7) 



 

                                                                                      (5)

 

m

                                                                                    (6) 

 

)

1



(

)

(



t

t

o

                                                                          (7) 

 

                                                                                      (5)



 

m

                                                                                    (6) 

 

/

1



                                                                          (7) 

 

 



   

 

 



   

 

 



                                                                                  (1) 

 

2



a

v

                                                                                     (2) 

 

e

                                                                                     (3) 

 

E

                                                                               (4)    

 

 

 



   

 

 



   

 

 



                                                                                  (1) 

 

                                                                                     (2) 



 

env

j

                                                                                     (3) 

 

E

                                                                               (4)    

 

 

 



   

 

 



   

 

 



E

m

e

a

.                                                                                  

 

 

                                                                                     



 

 

                                                                                     



 

 

                                                                               



    

 

 



8

№ 1  2015

Пытаясь  объяснить  полу-

ченные зависимости, Кенигсбер-

гер постулировал, что на самом

деле  носители  проводимости  в

любом  материале  появляются  в

результате диссоциации атомов

на свободные электроны и поло-

жительные ионы, количество ко-

торых равно:

,   


(8)

где величина пропорциональна

энергии диссоциации. Это пред-

положение  позволило  модифи-

цировать выражение (7) как

,  (9)


что  очевидно  может  объяснить

кривые с минимумами на рис. 1! 

Хотя  сам  Кенигсбергер  не

мог предложить ни одной моде-

ли для определения энергии дис-

социации, однако в дальнейшей

работе он разделил все материа-

лы на металлы, изоляторы и «пе-

ременные проводники» (нем. Va-

riable  Leiter)  именно  по  значе-

нию  Q:  для  изоляторов  стре-

мится к бесконечности (следова-

тельно,  свободных  электронов

проводимости  у  них  нет),  а  для

металлов при высоких темпера-

турах –  к нулю (так  в  металлах

число электронов проводимости

равно числу ионов –  Друде исхо-

дил именно из этого предполо-

жения). В «переменных провод-

никах», напротив, значение ко-

нечное,  что  приводит  к  экспо-

ненциальному 

снижению 

их

удельного  сопротивления  с  по-



вышением температуры!

Следует  отметить:  Кенигс-

бергер также экспериментально

показал, что значение в «пере-

менных проводниках» критиче-

ски  зависит  от  степени  их  очи-

стки и наличия структурных не-

совершенств  исследуемых  об-

разцов.  Это  даёт  нам  возмож-

ность датировать начало науки о

полупроводниках  именно  1914

годом – временем появления ра-

боты Кенигсбергера. Ведь отны-

не  экспериментальные  факты

касались  уже  не  разрозненных

«аномальных» материалов, а но-

вого  класса  веществ  с  вполне

определёнными свойствами.

Интересно, что самого тер-

мина 


«полупроводник» 

(нем.


Halbleiter) 

Кенигсбергер 

при

этом  не  применял.  Это  слово



впервые  применил  его  студент

Вейсс в  защищённой  в  1910  г.

докторской диссертации. Но да-

же эта терминологическая несо-

гласованность  не  мешает  объ-

явить  именно  Иоганна  Кенигс-

бергера  «отцом»  современного

понятия «полупроводники».

6. Новые

экспериментальные факты

Параллельно с Кенигсберге-

ром и его учениками полупровод-

никовые материалы активно изу-

чал  также  профессор  физики  в

университете в Йене Карл Беде-



кер (1877–1914).  Талантливый

физик, сын издателя всемирно из-

вестных туристических путеводи-

телей  Фрица  Бедекера,  погиб  на

фронте  37-летним  в  первую  же

неделю Первой мировой войны. 

Поэтому  его  список  работ

короткий, но главные его работы

отличаются  большой  тщатель-

ностью и пионерским подходом,

а книга «Электрические явления в

металлических 

проводниках»

(1911) служила учебником ещё на

протяжении двух десятилетий.

Едва  ли  не  самым  большим

«бичом»  тогдашнего  экспери-

мента  по  проводимости  была

очень 

плохая 


воспроизводи-

мость  результатов.  В  1907  году

Бедекер предложил новый метод

изготовления образцов. 

Он  наносил  тонкие  плёнки

меди,  серебра,  кадмия,  таллия  и

свинца на стеклянную или слю-

дяную  подложку распыления.

При  этом  толщину  полученной

плёнки  учёный  определял  точ-

ным  взвешиванием.  Потом  эти

плёнки выдерживались в кисло-

роде или  парах  серы,  селена,

мышьяка  или  йода  для  получе-

ния нужных соединений.

Интересные 

результаты

были  получены  на  йодиде  меди

CuI.  Полученные  плёнки  имели

очень  высокую,  чисто  металли-

ческую 

проводимость,



но,

оставленные  на  воздухе  при

комнатной  температуре,  дела-

лись  почти  изоляторами.  Но

возобновлённое  экспонирова-

ние плёнки в парах йода возвра-

щало  металлическую  проводи-

мость,  уменьшая  сопротивле-

ние  на  несколько  порядков.

Причём  такой  обратимый  про-

цесс можно было повторить не-

сколько  раз.  Отсюда  следовал

очевидный 

вывод: 


проводи-

мость  критически  зависела  от

содержания в образце йода.

Именно  Бедекер  первым

измерил  эффект  Холла  в  полу-

проводниковой 

пленке 

CuI.


Первой неожиданностью оказа-

лось то, что полярность холлов-

ского  напряжения  была  проти-

воположной  той,  что,  по  анало-

гичной  геометрии  опыта,  на-

блюдалась  в  висмуте.  Итак,  сле-

довало предположить, что ток в

CuI переносят носители с поло-

жительным зарядом! 

Так была впервые обнаруже-

на «дырочная»  проводимость  в

полупроводнике – хоть ни слова

«дыра»,  ни  слова  «полупровод-

ник»  употреблено  при  этом  не

было. Но, измеряя величину по-

стоянной Холла и предположив,

273

exp


)

1

(



)

(

t



Q

t

t

o

                                                               (9) 

273

exp


t

Q

N

N

o

9

СТОЛЕТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАУКИ: ИСТОКИ И УКРАИНСКИЙ ВКЛАД

Карл Бедекер

(1877–1914)

CÒÐÀÍÀ

ÇÍÀÍÈÉ

что ток переносят носители од-

ного  вида,  Бедекер  подтвердил

справедливость  постулирован-

ной  Кенигсбергером  формулы

(8):  число  носителей  действи-

тельно экспоненциально росло с

температурой!

В  последующие  годы  раз-

личными исследователями было

обнаружено немало соединений

с  полупроводниковыми  свой-

ствами.  Едва  ли  не  самой  «по-

пулярной»  из  них  стала  закись

меди Cu

2

O. Как показал профес-



сор Геттингенского университе-

та Бернард Гудден (1892-1945),

автор едва ли не первого обзора

по  проводимости  полупровод-

никовых соединений, сопротив-

ление различных образцов Cu

2

O

при 



комнатной 

температуре

могло различаться на 6-7 поряд-

ков. При этом проводимость за-

киси меди  возрастала  при  уве-

личении давления кислорода.



7. Появление теории 

полупроводников

Полупроводники поставили

большую  загадку  перед  теорети-

ками, и разгадать её классическая

физика не могла принципиально.

В 1927 году, сразу же после созда-

ния  основ  квантовой  механики,

Вольфганг Паули и Энрико Фер-

ми  разработали  теорию  сильно

вырожденного электронного газа

в металлах, а швейцарец Феликс

Блох (1905-1983) в 1928 году по-

лучил общий вид волновых функ-

ций в периодическом потенциале

и двумя годами позже развил тео-

рию температурной зависимости

сопротивления металлов с учётом

рассеяния  носителей  на  колеба-

ниях ионов решётки. Он получил

известный  «классический»  пре-

дельный случай для высоких тем-

ператур (

r

~



T) и показал, что при

низких температурах может реа-

лизоваться  т.н.  «режим  Блоха-

Грюнайзена» 

r

~



T

5

.  Однако  Блох

даже не пытался объяснить суще-

ствование металлов, полупровод-

ников и изоляторов.

Поэтому  «отцом»  зонной

теории  твёрдых  тел  можно  по

праву  считать  британца  Алана



Уилсона (1906–1995), который,

после обучения у Ролфа Фаулера

в Кембридже, стажировался в на-

чале 1930-х в Лейпциге у Гейзен-

берга,  где  и  познакомился  с  ра-

ботами Блоха.

Две  классические  статьи

Уилсона    появились  в  течение

1931  года.  В  них  учёный  впер-

вые  ввёл  привычную  для  нас

картинку  с  зонами  разрешён-

ных  энергий  и  запрещёнными

зонами между ними, ввёл поня-

тие  «доноров»  и  «акцепторов»,

предложил  различать  «собст-

венные»  (intrinsic)  и «примес-

ные» (extrinsic) полупроводни-

ки  (в  первом  случае  проводи-

мость обусловлена переходами

электронов между двумя разре-

шёнными зонами, а во втором –

переходами с примесного уров-

ня в разрешённую зону). Таким

образом, интуитивно введённое

Кенигсбергером понятие «энер-

гии диссоциации» получило фи-

зический смысл энергии запре-

щённой  зоны  (реально  по  со-

стоянию  технологий того  вре-

мени –  энергии  термической

активации примесного уровня),

а предложенное в 1914 году де-

ление на металлы, диэлектрики

и  полупроводники  получило

объяснение и подтверждение.

Стоит отметить, что оконча-

тельно понятие «дыр» как носи-

телей тока с положительным за-

рядом  было  введено  в  том  же

1931 году  Вернером  фон  Гей-

зенбергом, который интерпре-

тировал таким образом свобод-

ные места в почти заполненной

валентной зоне.

В  те  же  годы  независимо

друг  от  друга  Френкель,  Ваг-



нер, Шоттки и Йост разработа-

ли  собственные  модели  точеч-

ных  дефектов  в  кристалличе-

ской решётке, которые не только

позволили описать электронную

проводимость ионных кристал-

лов, но и сыграли большую роль

в дальнейшем развитии науки о

полупроводниках. 

Параллельно  в  1930  году

советский физик-теоретик, лау -

реат  Нобелевской  премии  по

физике

Игорь 

Евгеньевич

Тамм (1895–1971) разработал

квантовую  теорию  рассеяния

света  в  кристаллах  и  ввёл  пред-

ставление  об  упругих  колеба-

ниях  в  твёрдом  теле  (фононы).

Идея фонона содержалась уже в

ранних 

работах 


Эйнштейна

(1907) и Дебая (1912) по теории

теплоёмкости  твёрдых  тел,  но

сам  термин  принадлежит  Там-

му. Так  в начале 1930-х были за-

ложены  основы  теории  полу-

проводников.

10

№1  2015

Алан Уилсон (1906-1995)

Игорь Евгеньевич Тамм 

(1895—1971)

Зонная диаграмма

полупроводника из работы 

А. Уилсона


8. Материалы, 

изменившие жизнь 

человечества

Однако, полная нераз-

работанность технологий

получения «чистых» мате-

риалов до конца 1940 года

ставила  под  сомнение  са-

му  возможность  экспери-

ментального 

исследова-

ния  «собственных»  полу-

проводников.  Все  реаль-

ные  полупроводники того

времени были «грязными»,

сильно  «примесными»,  а  ре-

зультаты на них –  плохо вос-

производимыми. 

В письме Паули к Рудоль-

фу 


Паерлсу, 

написано 

в

1931г.:  «С  полупроводниками



работать  не  стоит,  они  –

сплошная 

путаница, 

кто

знает,  существуют  ли  эти

полупроводники  вообще». Та-

кое  отношение  к  полупро-

водникам  сохранялось  в  це-

лом до конца 1930-х.

Отношение  радикально

изменилось 

только 

после


изобретения 

американским

учёным  Уильямом  Шокли

(1910-1989)  и  его  коллегами



Джоном  Бардиным (1908-

1991) и Уолтером Браттейном

(1902-1987) транзистора на р-n

переходах (1951). 

Это 

изобретение 



сделало

возможным невероятный техно-

логический про рыв человечества

практически  во  всех  отраслях  и

было отмечено Нобелевской пре-

мией 1956 года. Следует отметить:

работая над изобретением, Шок-

ли  решил  дифференциальные

уравнения для диффузионного и

дрейфового движения носителей

тока, построил модель рекомби-

нации из-за примесных уровней

(модель  Шокли-Рида).  Получен-

ные им результаты легли в основу

фундаментальной  монографии

«Электроны  и  дырки  в  полупро-



водниках» (1950).

Первая интегральная микро-

схема – два транзистора, сопро-

тивление и несколько конденса-

торов  –  была собрана в 1959 г.

на  одном  кристалле  диамет-

ром 2 см фактически вручную.

Очень  быстро  применение

микросхем  радикально  рас-

ширило возможности челове-

ка  во  всех  отраслях  –  от  вы-

числений и связи до бытовой

электроники.

9. Полупроводники: 

украинский вклад

Стремительное  разви-

тие микроэлектроники в на-

чале  1960-х  стимулировало

активные 

исследования 

в

области  физики  полупровод-



ников во всём мире. В немалой

степени  это  было  стимулиро-

вано  ещё  и  гонкой  вооруже-

ний,  которая  ускорила  разви-

тие  науки  о  полупроводниках

в  СССР.  Так,  по  инициативе

ученика Карла Рентгена Абра-

ма 

Фёдоровича 

Иоффе

(1880–1960)  (этот  россий-

ский и советский физик, орга-

низатор 


науки, 

родился 


в

Украине  в  городе  Ромны  и  в

довоенные  годы  был  зарубеж-

ным  членом  Научного  обще-

ства  имени  Т.  Шевченко  во

Львове) в 1954 году был создан

Институт  полупроводников  в

Ленинграде.

Однако в Украине развитие

физики полупроводников нача-

лось значительно раньше. Ещё с

1929 года под руководством ос-

нователя Института физики ВУ-

АН Александра Генриховича



Голь дмана (1884–1971) прово-

дились  ра боты  по  исследова-

нию новых аспектов фотогаль-

ванического  эффекта  Беккере-

ля, 

в 

которых 



принимали

участие 


также 

О.Г. Миселюк,

Г.А. Фе дорус, 

М.П. Лу   ка севич,

В.К. Бе р   надский и другие иссле-

дователи.  К  сожалению,  в  1938

году  А.Гольдман  был  арестован

по  обвинению  в  «украинском

национализме»  (несмотря  на

еврейское происхождение учё-

ного!). Он сумел вернуться к на-

учной работе только спустя де-

сятилетие заключения и ссылки.

11

Самая первая схема  p-n -перехода

(из работы [В. Лашкарёва]). 

Область p-проводимости

расположена справа от

вертикальной линии S’, 

а область n-проводимости слева от

вертикальной линии S. Цифры ниже

и выше оси абсцисс обозначают

логарифмы концентраций дырок

(n+) и электронов (n-)

СТОЛЕТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАУКИ: ИСТОКИ И УКРАИНСКИЙ ВКЛАД

Джон Бардин, Уильям Шокли, 

Уолтер Браттейн

Вадим Евгеньевич Лашкарёв

(1903–1974)


ÑÒÐÀÍÀ

ÇÍÀÍÈÉ

Следует  помнить:  од-

но из крупных достижений

полупроводниковой науки

ХХ века связано именно с

Киевом. Будущий академик

АН  УССР  Вадим  Евгень-

евич 

Лашкарёв

(1903–1974), вернувшись в

Украину  после  отбытия

ссылки  в  Архангельске  на

должность 

заведующего

отделом полупроводников

Института физики и одно-

временно  –  заведующего

кафедрой  физики  в  Киев-

ском университете имени

Тараса  Шевченко,  делает

главное  открытие  своей

жизни.  Исследуя  с  помо-

щью зонда запорные слои

меднозакисных выпрями-

телей, учёный открыл p-n-

переход (первая зонная диаграм-

ма p-n-перехода  при ведена  на

рисун ке). 

Тогда  же  учёный  выяснил

роль  p-n-перехода  в  возникно-

вении 


вентильного 

фото-


эффекта  –  появления  напряже-

ния  при  освещении  контакта

областей полупроводника с дву-

мя типами проводимости.

Эта  работа  Лашкарёва    по

своему  научному  значению  не

уступала  работам  Шокли,  Бар-

дина  и  Браттейна,    удостоен-

ным  Нобелевской  премии.  Ведь

функционирование  p-n-пере-

хода лежит в основе работы со-

временных 

полупроводнико-

вых приборов –  от простых вы-

прямителей  до  сложных  интег-

ральных схем.

Однако  в  силу  ряда  небла-

гоприятных 

обстоятельств

(статья появилась в русскоязыч-

ном  журнале  перед  началом

Второй  мировой  войны,  её  анг-

лоязычный  перевод  стал  досту-

пен только начиная с 2008 года)

она  осталась  практически  не-

известной  на  Западе.  Здесь  пер-

вооткрывателем  p-n-перехода

традиционно  считают  Рассела



Шумейкера  Ола (Russell  Shoe-

maker  Ohl,  1898–1987).  Однако

заявка  на  патент  Ола,  которую

принято  считать  доказатель-

ством  его  приоритета,  была  по-

дана  27  мая  1941  (уже  после

того,  как  работа  В. Лаш карёва

появилась  в  печати),  а  сам  па-

тент  был  выдан  только  25  июня

1946 г. 


Следует также отметить, что

первые посвященные p-n-перехо-

дам в германии и сульфиде свин-

ца печатные статьи появились на

Западе  лишь  в  1947  году  (обзор

этих статей приведен в классиче-

ский работе В. Шокли). Поэтому,

хотя Р. Ол и работал самостоятель-

но в том же направлении, приори-

тет В. Лашкарёва в открытии p-n-

перехода не может быть постав-

лен под сомнение.

После войны Вадим Лашка-

рёв  реализовал  обширную  про-

грамму  исследования  полупро-

водников.  Сделал  он  это  парал-

лельно  в  Институте  физики  и  в

Киевском  университете  имени

Тараса Шевченко. Здесь он создал

и  в  1952–1957  годах  возглавлял

мощную  кафедру  физики  полу-

проводников, которой позже на

протяжении более 20 лет заведо-

вал  его  ученик  Виталий  Илла-



рионович Стриха (1931–1999),

создатель общей теории контак-

та 

металл-полупровод-



ник,  один  из  пионеров

развития 

украинской

сенсорики. 

В технике сенсорика

— совокупность первич-

ных  преобразователей,

сенсоров, 

преобразую-

щих 


внешнее 

воздей-


ствие, являющееся конт-

ролируемым 

парамет-

ром, в удобный для обра-

ботки сигнал

На базе отдела полу-

проводников  Института

физики  в  1960  году  был

организован  новый  Ин-

ститут 


полупроводни-

ков  АН  УССР,  который

учёный 

возглавлял 



в

течение  следующего  де-

сятилетия,  и  который

сегодня носит имя Вадима Лаш-

карёва. 

Работы  академика  Лашка-

рёва  нашли  широкое  практиче-

ское  применение  в  электрони-

ке,  автоматике,  телемеханике,

вычислительной технике.



10. Вместо выводов: 

что дальше?

На  основе  краткого  обзора

экспериментальных  фактов  и

теоретических  гипотез  мы  по-

казали,  как  в  начале  ХХ  века

сформировалась  новая  область

знаний  –  наука  о  полупровод-

никах.  Понятие  полупроводни-

ков как отдельного класса мате-

риалов  впервые  чётко  сформу-

лировал  Иоганн  Кенигсбергер

(1914  г.)  на  основе  оригиналь-

ной  гипотезы  о  «диссоциатив-

ном механизме» проводимости,

–  и  уже  за  это  учёный  заслужи-

вает  благодарной  памяти  по-

томков.  Начиная  со  второй  по-

ловины  ХХ  века  развитие  полу-

проводниковой  науки  и  техно-

логий  привело  к  настоящей  на-

учно-технической  революции,

радикально  расширив  возмож-

ности человека.

Однако,  начиная  с  опреде-

лённого этапа, каждая наука про-

12

№ 1  2015

Первопроходцы: кафедра физики

полупроводников Киевского университета

имени Тараса Шевченко 

(1956 год). Слева направо сидят: 

Н.Я. Карханина, В.И. Ляшенко, 

В.Е. Лашкарёв, Ю.И. Карханин, 

Г.А. Холодарь, Ю.И. Гриценко; 

стоят: И.Г. Самбур, Е.М. Березняковский, 

В. Житков, В.Е. Кожевин, Г.П. Пека, 

Г.П. Зубрин, В.И. Стриха, Р.М. Бондаренко


ходит  стадию  своеобразной

«исчерпанности». 

Это касалось и физики по-

лупроводников,  где  после  по-

строения зонной теории и тео-

рии примесных состояний, глу-

бокого  изучения  транспорта

носителей и оптических пере-

ходов в основных полупровод-

никовых  материалах,  появле-

ния технологий получения вы-

сокочистых  материалов  полу-

проводниковой электроники с

заданными  свойствами  стало

казаться,  что  основные  фунда-

ментальные  проблемы  уже  ре-

шены, остались важные, но в це-

лом непринципиальные детали.

Переход к наносистемам,

где движение носителей прин-

ципиально квантировано, по-

явление дополнительно к тради-

ционной «зарядовой электрони-

ке» также спинтроники, в кото-

рой переносится не заряд, а про-

екция спина, дали на грани но-

вого тысячелетия мощный тол-

чок  «традиционной»,  казалось

бы, отрасли. 

Дополнительным  импуль-

сом  стали  потребности  разви-

тия  фотовольтаики,  которая,  по

оценкам  экспертов,  призвана

внести важный вклад в решение

энергетических  проблем  чело-

вечества,  и  обеспечение  устой-

чивого,  экологически  безопас-

ного  развития,  и  сенсорики  –

ведь  только  сенсоры  в  режиме

реального  времени  способны

дать ответы на тысячи и тысячи

вопросов, 

которые 

ставит


жизнь перед человеком. 

Ряд отдельных интересных

фундаментальных  и  приклад-

ных задач определяет освоение

нового террагерцового диапазо-

на волн излучателями и детекто-

рами. В русле идей физики полу-

проводников лежит и немало за-

дач  новой  физики  графена,  ко-

торая стремительно развивается

после получения в 2004 году мо-

нослойного  углерода,    и  уже

привела к появлению целого ря-

да других аналогичных материа-

лов (борат молибдена, силицен,

германен т.п.).

К сожалению, существенной

помехой  для  развития  полупро-

водниковой  науки  в  Украине  яв-

ляется плачевное состояние ори-

ентированной на устаревшие тех-

нологии  ресурсозатратной  на-

циональной экономики, фактиче-

ская гибель украинской микро-

электроники, отсутствие нацио-

нального  заказчика  на  работы

во  многих  высокотехнологич-

ных направлениях. 

Эта  проблема  имеет  вне-

научный  характер,  и  решена

она  может  быть  только  со-

вместными усилиями полити-

ков, бизнеса и всего общества.

Поэтому  такая  дата,  как

100- летие  открытия  полупро-

водников, даёт ещё одну хоро-

шую  возможность  не  только

вспомнить  славные  страницы

прошлого (которые сами по се-

бе важны для сегодняшних и бу-

дущих  исследователей),  но  и

восстановить 

общественную

дискуссию о роли науки и высо-

ких  технологий  для  сегодняш-

ней Украины. А для этого нужно,

чтобы  незамеченный  ещё  юби-

лей, наконец, заметили. 

В  завершение  автор  хочет

посвятить эту статью светлой па-

мяти своего отца, одного из пио-

неров полупроводниковой науки

в Украине,  Виталия Илларионо-

вича Стрихи, а также всем иссле-

дователям из того прекрасного и

героического  поколения,  кото-

рые начинали изучение нового и

загадочного класса материалов –

полупроводников, которым суж-

дено в значительной степени из-

менить облик человечества.

М.В. Стриха,

доктор физико-математических

наук,

Институт физики



полупроводников 

им. В.Е. Лашкарёва 

НАН Украины

13

Абрам Фёдорович Иоффе 

(1880-1960)

СТОЛЕТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАУКИ: ИСТОКИ И УКРАИНСКИЙ ВКЛАД

2011 – число простое!!!!!

2012 = 2х2х503

2013 = 3х11х61

2014 = 2х19х53

2015 = 5х13х31

2016 = 2х2х2х2х2х3х3х7 (круто, так очень

редко бывает!!!!)

2017 – число простое!!!!!

У  нашего  2015  года  удивительно  красивое

разложение на множители.

Кроме  того,  в  двоичной  системе  он

полиндромичен: 11111011111.

* * *

Наверняка  он  будет  красивым.  А  вот

простым,  как  мы  видим,  он  не  будет.  Простым

будет теперь только 2017 год!



Немного весёлой арифметики:

жүктеу 210.62 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:




©emirb.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет