Напівпровідники. Структура напівпровідників

4.2.Напівпровідникові хімічні сполуки

Напівпровідники типу А IIIB V

Це хімічні сполуки, що утворюються при взаємодії елементівА III та B V підгруп періодичної системи Менделєєва. Ці сполуки характеризуються наявністю уА ІІІ на зовнішніх оболонках по 3 валентні електрони –s 2 р 1 , а у V V – 5 валентних електронів у станіs 2 р 3 . На кожен атом доводиться - 4 електрони, як в елементах IV групи, а звідси і однакові кристалічні структури та електронні властивості цих сполук з алмазом, кремнієм, германієм та іншими елементами IV групи. Але відрізняються типом зв'язку – поряд із ковалентною є й іонні, т.к. у вузлах решітки розташовуються позитивні та негативні іони.

Кристалічні грати з'єднань типуА III У V менш симетрична, ніж грати алмазу, германію, кремнію. Прикладами сполук цього можуть бути:InSb- антимонід індія,InAs- Арсенід Індія,InР- фосфід індія, GaSb- антимонід галію,GаАs- арсенід галію,GаР- фосфід галію,АlSb- Антимонід алюмінію.

Ці сполуки мають більшу, ніж у германію та кремнію рухливість електронів. Електропровідність напівпровідникових з'єднань залежить від домішок, що входять до міжвузля або у вузли атомних грат у вигляді атомів заміщення (це елементи II, IV, VI груп).

Арсеніди, антимоніди та фосфіди індію та галію отримують сплавленням компонентів у вакуумі в кварцових ампулах. Вирощування кристалів цих сполук – наприклад,GаАsметодом Чохральського, таке саме якGeі Si, але з магнітним управлінням, із спрямованою кристалізацією. Можна використати зонну плавку.

Карбід кремніюSiC ( A IVB IV)

Виходить відновленням з SiО 2 вугіллям при високій температурі в електричних печах:

SiO 2 + 3 C = SiC+ 2 CO.

Домішки видаляють додаваннямNаСlхлориди, що утворюються, випаровуються при високій температурі. Чистий карбід кремнію безбарвний. Величина провідності та тип залежить від домішок. Питомий опір чистого карбіду кремнію 10 11 Ом·м, з домішками - 0,001 Ом·м.

Хімічна структура та тип зв'язку у карбіду кремнію такий самий як у елементів IVВ підгрупи. Є низка модифікацій карбіду кремнію. Ширина забороненої зони карбіду кремнію – 2,86 еВ.

Домішка елементів V групи ( P , As , Sb, Bi ) і заліза в карбіді кремнію дає зелене забарвлення та провідністьn - Типу (електронну).

Домішка елементів II групи (Са, Мg) та III групи (В , Аl, Gа, I n) дає блакитне забарвлення та провідністьр – типу. Надлишок кремнію в карбіді кремнію дає провідністьn – типу, а надлишокС – р -Провідність.

Карбід кремнію застосовують для нелінійних резисторів, термокомпенсаторів, силових випрямлячів зр- n - Переходом, що працюють при високих температурах (до 650 ° С).

Оксиди

З оксидів найбільше застосування отримав закис міді.Су 2 Про , має широку заборонену зону∆ W = 0,22÷0,39 еВ. Є основою мідно-закисних (купроксних) випрямлячів. Мідні пластини нагрівають при 1020÷1040 °С в окисному середовищі 5 хв, потім переносять у піч з температурою 600 °З де витримують 10 хв. Виходить у результаті подвійне покриття: першеСu 2 Про (закис), друге СуО– окис. Закис мідіСу 2 Про - Напівпровідник, аСуО- Діелектрик. Окис міді у потрібних місцях витравлюють.Су 2 Про є домішковим напівпровідникомn – типу з інтервалом робочих температур від –40 до +60°С. Мідна основа в прилеглій плівціСу 2 Про має електронну провідність, що обумовлює у шарі закису міді електронно-дірочний перехід.

Міднозакиснівипрямлячі широко застосовувалися в техніці (у вимірювальних приладах, схемах автоматичних пристроїв та ін).

Мn 3 Про 4 – закис – окис марганцю – полікристалічний напівпровідник з∆ W= 1,25 еВ. Цей окисний напівпровідник застосовується у термісторах (термометрах опору).

До оксидних напівпровідників з електронною електропровідністю належать ферити і сегнетоелектрики (сегнетова сіль), що широко використовуються радіоелектроніці.

Напівпровідникові властивості виявляють ті оксиди, у яких один або більше іонів металу відноситься до елемента перехідного ряду ( Ti , Cu , Zn , Ni , Co , Fe , Mn, Cr, V).

Сульфіди (люмінофори)

У напівпровідниковій техніці застосовують: сульфід свинцюРbS; сульфід цинку ZnS; сульфід кадмію СdS; сульфід вісмутуВi 2 S 3 .

Сульфід свинцю має кристалічну структуру з кубічною решіткою. Щільність – 7,5· 10 3 кг/м 3 молекулярна маса – 239, температура плавлення 1114 °С,∆ W= 0,4 еВ. Залежно від співвідношення S і Рbвиходить провідність: діркова - якщо більше сірки, електронна - якщо більше свинцю, рухливість електронів 80 см 2 / (В · с). Сульфід свинцю застосовується для термоелементів та фоторезисторів з високою чутливістю в ІЧ області спектру.

Сульфід цинку – кристалічна структура з кубічними або гексагональними ґратами природного або синтетичного походження.

Сульфід кадмію – напівпровідниковий кристалічний матеріал гексагональної структури, молекулярна маса – 144,5; щільність – 4,82· 10 3 кг/м 3 , ∆ W= 2,1 еВ. Застосовують для фоторезисторів.

Сульфід вісмуту – кристалічну речовину ромбічної структури отримують сплавленням вісмуту з сіркою в нейтральному середовищі або у вакуумі. Щільність – 7,4· 10 3 кг/м 3; молекулярна маса – 514,2;∆ W= 1,25 еВ.

Cєднання типу А II У VI

Селеніди

Найбільшого застосування отрималиCdSe, PbSe, HgSe.

Селенід ртуті НgSе – кристалічну речовину, одержують сплавленням компонентів у вакуумі при 960 °З; має електронну провідність з рухливістю електронів 5000 см 2 /(В·с),∆ W= 0,3 еВ. Застосовується в датчиках е.р.с. Холла, фоторезистори, лазери.

Фізичні властивості сполук типу А II У VI

Телуриди

З напівпровідникових з'єднань телуру в ІЧ – техніці використовують телурид свинцюРbТі, телуридкадмію СdТе, телуридвісмуту Вi 2 Ті 3 .

РbТі, що має високу чутливість до ІЧ – випромінювання, як телуристо – свинцевого фоторезистора використовується як приймач ІЧ – випромінювання.

Органічні напівпровідники

Органічні напівпровідники – це органічні сполуки зі сполученими зв'язками:

тобто є електрони загального користування, отже, молекула має властивості металу і до неї можна застосувати зонну теорію в одновимірному наближенні. Дискретні рівніpелектронів є валентну зону. Енергія активації електронів – заборонена зона. Провідність усередині молекули дуже велика, т.к.pелектрони мають високу рухливість і невелику енергію збудження.

Так рідкий бензол – діелектрик, тому що електронам важко подолати енергетичний бар'єр, пов'язаний із міжмолекулярними взаємодіями. Якщо з'єднати молекули бензолу певним чином, енергетичний бар'єр можна знизити, і з'єднання може бути напівпровідником.

Аморфні напівпровідники

До аморфних (склоподібних) напівпровідників відносяться селеніди, телуриди, сульфіди елементів. V групи періодичної системи, що утворюють сполуки з аморфною структурою:

Sb 2 Te 3 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , As 2 Se 5 .

Їх характерний ближній порядок і зонна теорія не застосовна. Властивості можна пояснити з урахуванням теорії валентного зв'язку. Їхня провідність мало залежить від домішок, а залежить від розмірів атомів, що утворюють сполуки. Зі зменшенням радіусу атома напівпровідникові властивості переходять у діелектричні.

), і речовинами, що [фактично не проводять електричного струму (ізолятори або діелектрики).

Для напівпровідників характерна сильна залежність їх властивостей і характеристик від мікроскопічних кількостей домішок, що містяться в них. Змінюючи кількість домішки в напівпровіднику від десятимільйонних часток відсотка до 0,1-1%, можна змінити їх провідність у мільйони разів. Інша найважливіша властивість напівпровідників у тому, що електричний струм переноситься у яких як негативними зарядами - електронами, а й рівними їм за величиною позитивними зарядами - дірками.

Якщо розглядати ідеалізований напівпровідниковий кристал, абсолютно вільний від яких-небудь домішок, його здатність проводити електричний струм визначатиметься так званої власної електропровідністю.

Атоми у кристалі напівпровідника пов'язані між собою за допомогою електронів зовнішньої електронної оболонки. При теплових коливаннях атомів теплова енергія розподіляється між електронами, що утворюють зв'язки, нерівномірно. Окремі електрони можуть отримувати кількість теплової енергії, достатню для того, щоб відірватися від свого атома і отримати можливість вільно переміщатися в кристалі, тобто стати потенційними носіями струму (по-іншому можна сказати, що вони переходять в зону провідності). Такий догляд електрона порушує електричну нейтральність атома, у нього виникає позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона, що пішов. Це вакантне місце називають діркою.

Так як вакантне місце може бути зайняте електроном сусіднього зв'язку, дірка також може переміщатися всередині кристала і є позитивним носієм струму. Природно, що електрони та дірки за цих умов виникають у рівних кількостях, і електропровідність такого ідеального кристала однаковою мірою визначатиметься як позитивними, так і негативними зарядами.

Якщо місце атома основного напівпровідника помістити атом домішки, у зовнішній електронної оболонці якого міститься однією електрон більше, ніж в атома основного напівпровідника, такий електрон виявиться хіба що зайвим, непотрібним освіти міжатомних зв'язків у кристалі і слабко пов'язані з своїм атомом. Достатньо в десятки разів менше енергії, щоб відірвати його від свого атома і перетворити на вільний електрон. Такі домішки називають донорними, тобто віддають "зайвий" електрон. Атом домішки заряджається, зрозуміло, позитивно, але дірки при цьому не з'являється, так як діркою може бути лише вакансія електрона в незаповненому міжатомному зв'язку, а в даному випадку всі зв'язки заповнені. Цей позитивний заряд залишається пов'язаним зі своїм атомом, нерухомим і, отже, у процесі електропровідності брати участь не може.

Введення в напівпровідник домішок, зовнішня електронна оболонка яких містить менше електронів, ніж атомах основної речовини, призводить до появи незаповнених зв'язків, т. е. дірок. Як було сказано вище, ця вакансія може бути зайнята електроном із сусіднього зв'язку, і дірка отримує можливість вільного переміщення по кристалу. Іншими словами, рух дірки - це послідовний перехід електронів із одного сусіднього зв'язку до іншого. Такі домішки, які «приймають» електрон, називають акцепторними.

Зі збільшенням кількості домішок того чи іншого типу електропровідність кристала починає набувати все більш яскраво вираженого електронного або діркового характеру. Відповідно до перших літер латинських слів negativus і positivus електронну електропровідність називають електропровідністю я-типу, а дірочну - р-типу, відзначаючи цим, який тип рухомих носіїв заряду для даного напівпровідника є основним, а який - неосновним.

При електропровідності, обумовленої наявністю домішок (тобто домішкової), в кристалі як і залишається 2 типу носіїв: основні, що з'являються головним чином за рахунок введення в напівпровідник домішок, і неосновні, зобов'язані своєю появою теплового збудження. Зміст 1 см3 (концентрація) електронів п і дірок р для даного напівпровідника при даній температурі є постійна величина: n- p = const. Це означає, що збільшуючи за рахунок введення

Якщо прикласти до структури метал - діелектрик напівпровідник n-типу напруги (зазначеної малюнку полярності), то приповерхневому шарі напівпровідника виникає електричне поле, що відштовхує електрони. Цей шар виявляється збідненим електронами і матиме більш високий опір. При зміні полярності напруги електрони притягуватимуться електричним полем і у поверхні створиться збагачений шар зі зниженим опором.

У напівпровіднику р-типу, де основними носіями є позитивні заряди - дірки, та полярність напруги, яка відштовхувала електрони, буде притягувати дірки та створювати збагачений шар зі зниженим опором. Схема полярності в цьому випадку призведе до відштовхування дірок та утворення приповерхневого шару з підвищеним опором.

Наступна важлива властивість напівпровідників - їх сильна чутливість до температури та опромінення. Зі зростанням температури підвищується середня енергія коливання атомів у кристалі, і дедалі більше зв'язків піддаватиметься розриву. З'являтимуться нові й нові пари електронів і дірок. За досить високих температур власна (теплова) провідність може зрівнятися з домішковою або навіть значно перевершити її. Чим вище концентрація домішок, тим за більш високих температур буде наступати цей ефект.

Розрив зв'язків може здійснюватися за рахунок опромінення напівпровідника, наприклад, світлом, якщо енергія світлових квантів достатня для розриву зв'язків. Енергія розриву зв'язків у різних напівпровідників різна, тому вони по-різному реагують ті чи інші ділянки спектра опромінення.

Як основні напівпровідникові матеріали використовують кристали кремнію і германію, а в ролі домішок - бір, фосфор, індій, миш'як, сурму і багато інших елементів, що повідомляють напівпровідникам необхідні властивості. Отримання напівпровідникових кристалів із заданим вмістом домішок - найскладніший технологічний процес, що проводиться в особливо чистих умовах з використанням обладнання високої точності та складності. Блоки електронної обчислювальної машини. Інженери не можуть сьогодні обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів та підсилювачів. Заміна лампової апаратури напівпровідникової дозволила в десятки разів зменшити габарити та масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність та різко збільшити

Під кристалічною структурою розуміють тверду фазу речовини, розташування атомів та молекул якої виявляє певну закономірність, хоча б на мікроскопічних ділянках. У цьому атоми утворюють кристалічну решітку, а певне поєднання атомів чи елементарних осередків повторюється у напрямі. Кристал напівпровідника утворюється в результаті угруповання великої кількості атомів у певних вузлах кристалічних ґрат, які можна вважати великою молекулою. Властивості кристалічних ґрат визначають всі властивості напівпровідників.

Монокристал- одиничний кристал, його вирощують штучно із розплавів, розчинів.

Полікристал- Тверде тіло, що складається з безлічі кристалів (зерен), кристалічні решітки сусідніх зерен зазвичай розорієнтовані на кути, що вимірюються в градусах і десятках градусів. Більшість властивостей напівпровідників пов'язані з можливістю змінювати свою електричну провідність під впливом різних чинників. Провідністю напівпровідників можна керувати шляхом контролю введення невеликої кількості домішкових атомів.

Факторами, що впливають на електрофізичні властивості провідників, є вплив термічної обробки в атмосфері різних газів, структури матеріалу, а також стану поверхні напівпровідника, зміна його властивостей під впливом електричних і магнітних полів. Для Німеччина та Кремнія характерні грати типу алмазу. Елементарна кристалічна решітка алмазного типу має кубічну симетрію, таким чином за основу можна вибрати прямокутну систему координат (x y z). У технології виготовлення ІМС зазвичай користуються індексами Міллера, що визначають положення кристалічних площин або кристалографічних напрямів перпендикулярних відповідним площинам. Для кубічних кристалів індекси Міллера є 3 цифри, що відносяться до прямокутної системи координат. Як видно, цифра "1" означає, що площина, що розглядається, проходить через точку, відповідну осі з координатою = "1". Цифра "0" означає, що кристалографічна площина паралельна осі. Відповідно кристалографічна площина (100) проходить через точку х = 1 і паралельна осям y і z. Ведення коефіцієнта Міллера необхідне для оцінки важливої ​​властивості кристалічних ґрат, а саме анізотропії, тобто необхідність механічних та електрофізичних властивостей у різних напрямках.

Основні визначення технічних процесів:

Епітаксія- процес осадження атомарного кремнію на монокристалічні кремнієві пластини, при якому одержують плівку, яка є продовженням структури. Епітаксія дозволяє створити монокристалічну плівку напівпровідника із заданою кристалографічної орієнтацією щільності поверхні.

Для створення у напівпровіднику шарів з різним типом провідності та p-n переходів використовують 2 методи введення домішок – термічна дифузія та іонна імплантація (легування).

Дифузія- це спрямований рух атомів, що виникає під дією градієнта концентрації чи температури.

Іонна імплантація- метод легування пластини або епітаксійного шару шляхом бомбардування іонами домішки, прискореними до енергії, достатньої для їх впровадження в глиб твердого тіла.

Термічне окиснення діелектрика- отримання при цьому плівки SiO2 виконує кілька важливих функцій:

захисту (як діелектрик)

Функція маски (через яку вводяться необхідні домішки)

Літографія- Процес створення захисної маски, необхідної для локальної обробки при формуванні структури ІМС. Маска містить сукупність заздалегідь спроектованих отворів – вікон.

Травлення- Немеханічний спосіб зміни рельєфу поверхні твердого тіла. При травленні використовують розчини для загального та локального видалення поверхневого шару твердого тіла на певну глибину.

Заготівельний процес: монокристалічні зливки кремнію отримують зонною плавкою та шляхом кристалізації з розплаву методу Чохральського.

У методі стрижні із затравкою у вигляді монокристалічного кремнію після стикання з розплавом напівпровідника повільно піднімають з одночасним обертанням. При цьому слідом за затравкою витягується злиток, що наростає і застигає. Кристалографічна орієнтація зливка (поперечний переріз) визначає кристалографічну орієнтацію затравки. Типовий діаметр злитка 10-15см, довжина зливка до метра. Зливки кремнію розрізають на безліч тонких пластин - 400-500 мікрон, на яких потім виготовляють ІМС та прилади.

Зонна плавка- у викладі злиток полікристалічного кремнію та нагрівання в кінці зони. Розплавлена ​​зона переміщається і перетворює полікристалічний кремній монокристалічний. При цьому відбувається процес очищення.

Детектор радіоприймач.

Звичайний детектор.

З чого починає молодий радіоаматор? Із детекторного приймача. Дуже простий цей дивовижний апарат. Дротова котушка, непоказний камінчик детектора, навушники. Ось і вся премудрість. А яка казкова сила втілена у поєднанні нехитрих деталей! Розпитайте людей старшого покоління, які робили своїми руками перші детекторні приймачі. Вони скажуть: мабуть, у наші дні новенький телевізор викликає менше радості, ніж дерев'яні скриньки.

Ось зібраний приймач урочисто поставлений на столі. Його автор залазить на дах і простягає довгу, метрів в тридцять - сорок, антену. Провід, що йде від неї, він підключає до приймача (108) і деякий час возиться з детектором. Упираючись кінцем пружної пружинки в сріблястий кристалик, вміщений у скляній трубочці, треба намацати у ньому чутливу точку. І як тільки це вдається, відбувається довгоочікуване «чарівництво»: у навушниках звучить музика чи мова.

Кристалік детектора - це, мабуть, перший напівпровідник, який знайшов широке практичне застосування. Навіщо він потрібен?

Радіохвилі збуджують в антені електричне поле, що швидко змінює напрямок. Електричне поле надає руху електрони дроту. Вони летять у дроті то вперед, то назад. Сотні тисяч разів на секунду відбуваються такі коливання електронів. Щоб почути передачу, потрібно немовби розсікти навпіл ці коливання, пропустити в навушники тільки ті рухи електронів, які спрямовані в один бік. У цьому випадку змінний струм, як кажуть, випрямляється, перетворюється на пульсуючий постійний струм. А в порівняно повільних змінах його сили (сотні і тисячі коливань в секунду) якраз і відбиті звуки, що передаються. Більша сила випрямленого струму – отже, сильніше відтягується електромагнітом сталева мембрана навушника. Слабшає струм - і вона відходить від електромагніту. Мембрана вібрує, передає свої коливання повітрі, і довкола розносяться звукові хвилі.

Така коротко сутність дії найпростішого радіоприймача. Як бачимо, крім проводів, тут потрібно всього два пристрої: навушники та випрямляч струму. Детектор і виконує роль випрямляча.

Кристалік, який знаходиться у скляній трубочці, – напівпровідник. Електропровідність його, як ми добре усвідомили раніше, може бути або електронною або дірочною. Допустимо, він наділений електронною провідністю. Але кристал неоднорідний. На поверхні його трапляються ділянки, тією чи іншою мірою засмічені домішками. Є серед них і такі місця, де під впливом домішок електронний напівпровідник перетворився на дірочний. А на межі електронної та дірочної областей обов'язково виникає знайомий нам замикаючий шар – зона, в якій немає ні електронів, ні дірок.

Нагадаємо особливість цього шару: з одного його боку ніби стоять на варті електрони-«прикордонники». Вони відштовхують усі вільні електрони углиб електронної області. З іншого боку кордону стоїть така сама варта дірок. Вони, як ви пам'ятаєте, відштовхують інші дірки в глиб дірочної області. Словом, у замикаючому шарі виникає прикордонне електричне поле. Воно протидіє просуванню електронів та дірок до межі зіткнення електронної та діркової областей напівпровідника.

До замикаючого шару підведемо зовнішнє електричне поле. Залежно від напрямку воно або додасть свою силу до сили прикордонної варти в напівпровіднику (розширить замикаючий шар), або, навпаки, послабить і навіть змете геть електрони та дірки-прикордонники.

А якщо підвести змінний, тобто змінний напрямок, електричне поле? Очевидно, що замикаючий шар періодично розширюватиметься і зникатиме, Прикордонна стража стане то посилюватися, то зніматиметься зовсім - у такт зі змінами напрямку зовнішнього поля. І результат буде такий: у моменти розширення замикаючого шару струм через напівпровідник не піде (електрони та дірки розбігаються в різні боки); в моменти ж (110) зникнення замикаючого шару струм через кристал піде (електрони та дірки біжать назустріч один одному).

Підведемо підсумок. Чутлива точка детектора - це ділянка поверхні напівпровідника, де інші носії струму, ніж в іншому кристалі. Значить, під вістрям пружинки - замикаючий шар. Детектор включений у провід, що веде від антени до навушників. Електричне поле антени, пронизуючи кристал, розширює цей шар, то знищує його. І струм через детектор йде лише в одному напрямку – коли електрони та дірки рухаються назустріч один одному.

Ртутна лампа – випрямляч змінного струму. Прилад цей громіздкий, неекономічний та тендітний. Внизу - напівпровідниковий германієвий випрямляч, що відрізняється простотою пристрою, надійністю, винятковою економічністю.

Потрібно сказати, що за цим принципом випрямляється струм не лише у найпростішому радіоприймачі. Випрямлячі з напівпровідників - закису міді, селену, сірчистої міді, а останнім часом з германію - все ширше використовуються в техніці. Можливості їх використання величезні: від простих вимірювальних приладів до радіостанцій, електрометалургійних установок, електровозів. І в багатьох випадках напівпровідники-випрямлячі виявилися найкращими з пристроїв, що випрямляють. Їхній коефіцієнт корисної дії сягає 98-99 відсотків. Додайте до цього міцність, надійність, невеликі розміри – і ви зрозумієте, чому виробництву напівпровідникових випрямлячів приділено особливу увагу Директивам XX з'їзду партії.

Але повернемось до нашого детектора.

У той час, коли з'явилися перші детектори, вони були ще дуже недосконалі. Іноді великі праці варто було знайти чутливу точку. Пружинка з неї раз у раз зіскакувала. Доводилося знову і знову налагоджувати приймач. Багато винахідливості доклали інженери, аби покращити детектор.

Сучасні напівпровідникові прилади – спадкоємці перших примітивних детекторів та вакуумних ламп-діодів.

У 1919 році удосконаленням детектора захопився молодий радіоаматор Олег Володимирович Лосєв. Мріючи присвятити життя радіотехніці, він почав з того, що ще зовсім юним вчинив розсилальним на першу (112) нашій країні Нижегородську радіолабораторію. Тут помітили допитливого та талановитого юнака. Співробітники лабораторії допомогли йому поповнити освіту, і незабаром Лосєв почав самостійну наукову роботу. Він ретельно досліджував природні мінерали, що застосовуються як детектори, вивчив їх електричні особливості і в 1922 прийшов до несподіваного відкриття. Молодий учений довів, що якщо особливим способом включити до схеми приймача два детектори та електричну батарейку, то можна посилити електричні коливання, що надходять у навушники.

На той час відкриття Лосєва було дуже важливим. Адже звичайний детекторний приймач давав змогу слухати лише близькі станції. Далекий прийом, особливо у містах, де багато перешкод і важко влаштувати високу та довгу антену, виявлявся практично неможливим. А приймачі Лосєва, які він назвав кристадинами, впевнено приймали передачі порівняно далеких радіостанцій Винахідник збудував на кристалах та інші апарати - генератори, тобто збудники електричних коливань.

Лосєв відразу ж опублікував свої відкриття, не запатентувавши їх, не вимагаючи за них жодної грошової винагороди. У багатьох країнах радіоаматори почали будувати приймачі за його схемами. Американський журнал писав: «Молодий російський винахідник передав свій винахід світу». Французький журнал вторив: (113) «Наукова слава чекає на Лосєва. Він оприлюднив своє відкриття, думаючи насамперед про своїх друзів - радіоаматорів усього світу».

Кілька років ім'я винахідника не сходило зі сторінок журналів, але потім почало з'являтися дедалі рідше. До кінця 20-х ідея його - використовувати кристали для посилення та збудження електричних коливань - була забута. Наука ще дозріла для творчого, творчого розвитку цього задуму. Теорії напівпровідників не існувало, штучно створювати такі речовини майже не вміли. Всі надії радіоінженерів зосередилися на іншому нововведенні - радіолампах.

Радіоаматори старшого покоління добре пам'ятають перші роки переможної ходи радіоламп. У мільйонах радіоприймачів, поблискуючи склом і металом, гордими рядами вишикувалися ці ніжні, тендітні прилади. Якими вони здавалися досконалими порівняно з примітивними камінчиками детекторів!

Радіолампам і справді було чим пишатися. Адже з ними ми отримали можливість слухати радіо без набридлих навушників! Саме тоді у наших будинках зазвучали перші гучномовці.

Що ж робить радіолампа?

Згадайте, як сьогодні вранці ви вмивалися біля водопровідного крана. Якщо кран добре відрегульований, досить було трохи торкнутися, і струмінь помітно зменшувалася або, навпаки, збільшувалася. Незначні зусилля руки викликали різкі зміни потоку води.

Щось схоже відбувається і в радіолампі. Там ледь помітні коливання антенного електричного поля змінюють потужний потік електронів.

Схема вакуумного тріода. Зліва – лампа «відкрита»; праворуч – «замкнена».

Як це практично здійснюється?

Найпростіша радіолампа – скляний балон, звільнений від повітря. Заглянувши всередину, ми побачимо три ізольовані один від одного металеві електроди: катод, сітку та анод. Катод і анод включені в зовнішній електричний ланцюг з високою постійною напругою. На сітку подають слабкі сигнали антени.

Тонка нитка катода розжарюється електричним струмом. Тож із неї вилітають електрони. Підхоплені сильним полем, вони негайно прямують до анода. Але на шляху електронів – дротяна спіраль сітки. Своїм невеликим полем вона поблизу помітно діє на електрони, що летять: або вільно пропускає їх, або уповільнює політ, послаблюючи струм, що йде через лампу, або, нарешті, відкидає електрони назад до катода - «закриває» лампу. Усі такі зміни електронного потоку відбуваються у такт із змінами електричного поля сітки. Електронний потік як водяний струмінь у трубі, а сітка нагадує кран. І як легкі рухи крана створюють у трубі різкі поштовхи води, так і слабкі сигнали, уловлені антеною, викликають у радіолампі помітні імпульси струму. (115)

Сигнали можна підсилювати багаторазово в кількох лампах поспіль. Та й не лише посилювати. Радіолампи з двома електродами (без сітки) випрямляють змінні струми – відіграють роль детекторів. Радіолампи, забезпечені додатковими електродами, винятково тонко керують потоками електронів. Нарешті, у цих приладах неважко збуджувати різноманітні електричні коливання.

У руках вчених та інженерів радіолампа стала потужним засобом технічного прогресу. Безперервно вдосконалюючись, за кілька років вона здобула всю радіотехніку. Завдяки їй розвинулося телебачення, з'явилися радіолокація, радіонавігація, за її участі виникли звукове кіно, магнітний звукозапис та безліч інших чудових винаходів. Відбулася справжня технічна революція, яка викликала до життя нову велику сферу знання. електроніку.

Здавалося, і майбутнє радіотехніки нерозривно пов'язане із радіолампами. Однак минули десятиліття, і поступово з'ясувалося, що радіолампи не такі вже й бездоганні.

На полярній зимівлі радист втрачав важко налагоджений зв'язок - «сідала» чергова лампа. Льотчик невдало приземляв літак - лампи бортової радіостанції не витримували струсу і псувалися. У переважній більшості випадків будь-який радіоапарат виходив з ладу через недовговічність ламп. Термін їхньої служби, який обчислюється сотнями та тисячами годин, перестав задовольняти техніку. І помалу вони здобули репутацію найненадійніших, примхливих елементів радіосистеми.

Потім і розміри радіоламп виявилися занадто великими. Адже не одну сотню, навіть не одну тисячу нараховують інші сучасні радіоапарати. Нелегко конструктору компонувати це обладнання так, щоб воно не займало занадто багато місця.

Все це змусило радіоінженерів всерйоз подумати про заміну радіоламп на якісь інші - компактні та надійні прилади.

Розпочалися пошуки нових рішень.

Будь-який ламповий радіоприймач, розмірковували вчені, поєднує у собі важко сумісні конструкційні елементи: тверді тіла та... порожнечу. Проводи, конденсатори, котушки, опори – все це тверде, все це можна закріпити, зробити міцно, надовго. А радіолампи? Щоб збільшити стійкість, балони ламп виконують із металу, зі спеціальних пластмас, кераміки. Це, звісно, ​​допомагає. Однак головна незручність – порожнеча – залишається. У ній доводиться монтувати складні електроди, розігрівати нитку катода. Все там ніжне, тонке, що побоюється поштовхів, трясіння.

Здавалося б, порожнеча незамінна. У ній електронні потоки наче оголюються, стають доступними регулюванню, потрапляють у владу слабкого електричного поля сітки радіолампи.

Втім, чи можна лише в порожнечі керувати рухом електронів?

Що, якщо спробувати замість порожнечі напівпровідниковий кристал? Треба, мабуть, пропускати через нього струм і ззовні змінювати електропровідність кристала. Але яким чином міняти її? Чи можна взагалі цього досягти?

Від вирішення цих питань залежала доля подальшого розвитку радіотехніки.

Так на новій основі відродилася ідея О. В. Лосєва про підсилювачі та генератори на кристалах. (117)

Звичайно, багато в ній змінилося. Застосовувати для цього звичайні детектори стало недоцільно. Ефект вони давали невеликий. Йшлося про створення кристалічного приладу, здатного впевнено змагатися із сучасною радіолампою.

Не одразу намацали шлях вирішення проблеми. Багато було прикрих невдач, зривів, сумнівів. Але зрештою відповідь була знайдена: так, провідністю кристала можна керувати, можна створити напівпровідниковий прилад - замінник радіолампи. Теорію приладу розробив американський фізик Вільям Шоклі. Його співвітчизники Бардін і Браттейн створили в 1948 перші зразки приладів, названих кристалічними тріодамиабо транзисторами.

Як вони влаштовані? Про це ми розповімо трохи далі. Насамперед - кілька слів про матеріал, з якого вони виготовляються.

Роблять кристалічні тріоди головним чином напівпровідника германію. Ми вже згадували про застосування цієї речовини, яка відіграла величезну роль у розвитку фізики та техніки напівпровідників. З ним пов'язана й інша цікава сторінка історії природознавства.

Кристалічний елемент германій – найважливіший напівпровідник. Попереду – монокристал германію.

У 1869 році, коли Дмитро Іванович Менделєєв створював свою знамениту періодичну систему, про існування Німеччини ніхто не підозрював. Але геніальний хімік з суто теоретичних міркувань передбачив його відкриття. Вчений відвів йому місце у своїй багатоповерховій таблиці і навіть заздалегідь описав, якими можуть бути його основні властивості. Згідно з періодичним законом, ця невідома на той час речовина повинна була багато в чому схожа на відомий елемент кремній. Менделєєв (118) тому привласнив йому умовну назву екасіліцій (силіцій - латинська назва кремнію, а приставка «ека» санскритською мовою означає «подібний»).

Через шістнадцять років чудове передбачення справдилося. Німецький дослідник Вінклер знайшов у одному з природних мінералів екасилицій і дав йому ім'я батьківщини. То справжній тріумф наукової думки.

«Чи навряд, - писав Вінклер, - можна знайти більш разючий доказ справедливості вчення про періодичність... Це не просто підтвердження сміливої ​​теорії; тут бачимо... потужний крок у сфері пізнання».

Практичного застосування знову відкритий елемент спочатку майже не отримав. Довгий час його сріблясто-сірі блискучі кристали були лише унікальними експонатами в хімічних колекціях. Зате останніми роками германій став найважливішим технічним матеріалом. І вінця слави він досяг, щойно став основою кристалічних приладів - замінників радіоламп.

Ось він перед нами - германієвий тріод, кристалик, що йде на зміну порожнечі, на зміну скляному міхуру радіолампи. Він схожий на крихітний, завбільшки з горошинку, грибок. З капелюшка тягнуться три тяганини.

Напівпровідникові тріоди. Наскільки вони менші за радіолампу!

Розкрийте його, і ви переконаєтеся, що навіть у сталь мініатюрному пристрої переважна частина об'єму зайнята корпусом, оболонкою (119). А сам кристал ще в десятки разів менший.

Розберемося, як влаштований пристрій, як керує він потоками електронів. На металевій підніжці, яку називають базою,лежить кристалічна пластиночка германію з електронною провідністю. На верхній поверхні кристала спеціальною обробкою створена область з дірковою провідністю. Між дірочною та електронною областями, як завжди в подібних випадках, виникає замикаючий шар. До поверхні кристала приєднані поруч кінці двох найтонших платинових зволікань. Одна з них називається емітером,Інша - колектор.

Емітер, колектор та база – три електроди кристалічного підсилювача. Вони відповідають катоду, аноду та сітці радіолампи. Але в підсилювальну схему кристал вводиться не так, як радіолампа.

Джерело керуючих сигналів включається між базою та емітером. Включення роблять з таким розрахунком, щоб замикаючий шар не служив перешкодою для керуючих сигналів (електричне поле сигналів направляють проти електричного поля замикаючого шару). Джерело струму порівняно високої напруги, яким потрібно керувати, підводять через опір до колектора та бази. Але його включають у протилежному напрямку, щоб замикаючий шар не пропускав струму.

Схема напівпровідникового тріода.

Схема готова. Подамо керуючий сигнал.

Через зволікання емітера в дірочну ділянку кристаліка входить імпульс електричного поля. Він прориває пролом у замикаючому шарі і захоплює туди дірки. Таким чином, дірки як би впорскуються емітером в електронну ділянку кристалу. Недовго блукаючи в кристалі, вони встигають потрапити під тяганину колектора, А коли замикаючий шар на мить збагачується тут дірками, він робиться електропровідним і для струму високої напруги, включеного між базою та колектором. Поштовх цього струму пролітає через замикаючий шар у «забороненому» напрямку. Це негайно впливає на стан зовнішнього ланцюга приладу. Там з'являється посилений сигнал. Він тим значніший, чим ближче розташовані на кристалі кінці зволікань емітера та колектора.

Отже, ми посилили слабкий електричний сигнал за допомогою кристала, обійшлися без радіоламп. Кристал надійний. Він твердий та міцний. Він не лусне, не розіб'ється, як скляний балон. (121)

Спеціальна обробка германієвих кристалів дозволяє створити так звані напівпровідникові площинні тріоди. Вони кристал розділений на три порівняно великі області електронної і діркової провідності.

Площинні тріоди не потребують найтонших дротяних вводів, тому вони ще міцніші і довговічніші. Крім того, вони здатні пропускати через себе більш значні струми, що стійкіше працюють.

Напівпровідникові підсилювачі відрізняються і ще однією чудовою властивістю – економічністю. Адже в них не потрібно витрачати енергію на розігрів катода, створення сильного електричного поля. Якщо коефіцієнт корисної дії радіолампи становить частки відсотка, то кристалічних тріодах він сягає 50-60 відсотків.

У всьому цьому величезний виграш. Однак є у напівпровідникових приладів та недоліки.

Найтонші вводи і шари, мізерні відстані між електродами - все це, здавалося б, має робити кристалічний тріод виключно швидкодіючим, здатним посилювати надзвичайно часті електричні коливання. Насправді якраз навпаки. У твердому тілі, в кристалі електрони менш вільні, як у порожнечі радіолампи. Вони ніби утруднені в можливостях змінювати свій рух, і тому надвисокі частоти електричних коливань, такі важливі в сучасній радіотехніці, кристалічні прилади поки недоступні.

У багатьох країнах фізики прагнуть зробити напівпровідникові пристрої «поворотливішими», швидкодіючими. На цьому шляху досягнуто певних успіхів. Досить «розторопні», наприклад, тріоди, в яких зовнішня поверхня електронна, а сам дірковий кристал. Тоді в замикаючий шар емітер впорскує електрони, а вони майже вдвічі рухливіші від дірок. В результаті (122) процеси, про які ми говорили, відбуваються набагато швидше. Сучасні кристалічні тріоди такого типу встигають посилювати кожну секунду до десяти мільйонів електричних коливань.

З'явилися і ще більш досконалі кристалічні підсилювачі. тетроди- із чотирма областями напівпровідників різної провідності. Серед кристалів – це рекордсмени щодо швидкості дії. Вони збуджують чи посилюють десятки, сотні, навіть тисячі мільйонів електричних коливань за секунду. Більш часті коливання залишаються і, очевидно, залишаться областю вакуумної електроніки,

Є й інші недоліки нових приладів. На кристалах поки що не вдається робити апаратуру великої потужності. Німеччина сильно змінює властивості при нагріванні. Підвищення температури германієві підсилювачі переносять важко. Ось чому останнім часом все частіше воліють робити кристалічні прилади із кремнію. Вони менш примхливі.

Щоправда, тут можливий цікавий вихід: укладати крихітні кристалічні підсилювачі в мініатюрні напівпровідникові електрохолодильники (про них ви читали вище - в розділі «Погоня за теплом»). Такі досліди ставляться і дають добрі результати.

Все ж таки іноді трапляється, що кристалічний підсилювач, незважаючи на всілякі запобіжні заходи, без видимих ​​причин раптом змінює властивості. Не завжди прилади одного типу працюють однаково. Причина тут одна: недостатньо вивчено особливості напівпровідникових пристроїв, не розроблена до кінця технологія їхнього виробництва. Тому зовсім невірно думати, що всюди радіолампи відразу зміняться напівпровідниками.

Напівпровідники виявляються дуже корисними і у розвитку вакуумної електроніки. З них виробляють нові високо ефективні джерела електронів для радіоламп, пристрої, що підпалюють розряд у ртутних (123) випрямлячах, та багато іншого. Не ворожнеча, а дружнє змагання розгортається між напівпровідниками та вакуумними приладами.

В обох областях попереду велика дослідна праця, пошуки нових систем, нових конструктивних рішень. Чудовими винаходами збагачується вакуумна електроніка. Водночас з кожним роком удосконалюються напівпровідникові радіоприлади. Величезна армія вчених, інженерів, радіоаматорів невпинно працює, своєю працею прокладаючи дорогу кристалам.

У кристалічному приладі все компактно та просто. Але нелегко дається ця простота. Філігранну працю вкладено в мініатюрний напівпровідниковий підсилювач.

Спочатку германієву болванку на спеціальному верстаті розпилювали алмазною пилкою на найтонші пластинки. Їх і в руку не візьмеш - так вони малі. Проте їх сортували, очищали хімічними розчинами. Дивлячись у мікроскоп, до кристалика приєднали майже невидимі вусики проводів, а протилежні кінці припаяли до товстіших дротів. Потім покрили прилад захисним лаком, уклали в корпус, усі порожнечі заповнили особливою пластмасою. Деякі операції доводилося вести в безповітряному середовищі, а правильність складання постійно контролювати електричними вимірами. Але й цим справа не завершується. Багато доведеться повозитися з напівпровідниковим підсилювачем, перш ніж він буде остаточно готовий.

Така ювелірна робота майже вся виконується вручну. І легко уявити собі, який величезний досвід, яку тонку майстерність повинні мати збирачі напівпровідникових радіоприладів.

Інженери та вчені домагаються зараз механізації і навіть автоматизації виробництва кристалічних діодів і тріодів.

Замість алмазної пили для різання германію та кремнію стали застосовувати ультразвук. Лезо безпечної бритви, прироблене до ультразвукового генератора, що часто вібрує стрижня, входить у крихкий кристал, як столовий ніж в масло. А звичайним способом обробити інший кристалічний напівпровідник так само важко, як, скажімо, випиляти візерункову зірочку з чайного сухаря. Ультразвук тут економить матеріали (виходить незрівнянно менше тирси, не потрібен дорогоцінний алмаз), прискорює роботу, а головне - відкриває можливість її механізації.

Застосовується та оригінальний спосіб електрохімічної обробки кристалів. Для деяких видів площинних напівпровідникових тріодів потрібно отримувати надзвичайно тонкі (0,005 мм) платівки германію. Жодною механічною обробкою їх не отримаєш. Але вихід все ж таки було знайдено.

На кристалічну пластинку германію направляють з двох сторін тонкі струмені розчину, що травить. Вони одночасно грають роль проводів: через них крізь шар напівпровідника пропускається електричний струм від батарейки. Півтори – дві хвилини кристал роз'їдається цим електрохімічним способом. З двох сторін у платівці германію утворюються лунки, між якими залишається найтонша плівка напівпровідника.

Потім поверхню плівки в такий же електрохімічний спосіб покривають шарами металу.

Під час обробки потрібно постійно та виключно тонко регулювати силу струму в струменях розчину та у напівпровіднику. Регулювання ведуть світловим променем, спрямованим на платівку Німеччини. Адже цей напівпровідник значно підвищує свою провідність під час освітлення. Сильніше спрямоване на нього світло - і більше електропровідність пластинки; отже, і струм, (125) поточний через нього і струмені розчину, що травить, збільшуються.

При виробництві площинних тріодів застосовують також явище дифузії – повільне проникнення атомів однієї речовини у товщу іншої.

Пропонуються також інші дивовижні прийоми виготовлення кристалічних радіоприладів.

Деякі вчені вважають, що, можливо, можна буде нарощувати кристали з різними шарами. На думку низки фахівців, в одному крихітному кристалі вдасться створювати цілі радіоелектронні системи - подібно до того, як давно хіміки отримують з розчинів звичайні кристали. Радіоприймач, збудований у колбі або в тиглі хімічним шляхом! Що може бути вражаюче!

З'являються і своєрідні машини-ювеліри для збирання кристалічних підсилювачів. Техніка йде до того, щоб виробництво напівпровідникових приладів стало по-справжньому масовим, щоб вони були ще мініатюрнішими. Інженери зараз серйозно говорять про створення матриці обсягом у дитячий кубик з тисячеюкристалічними тріодами. І не лише кажуть, а й наполегливо працюють над цією проблемою.

Велике відкриття ніколи не залишається ізольованим. Воно висуває нові завдання, живить винахідницьку думку у суміжних сферах. Це особливо добре видно з прикладу впровадження у радіотехніку напівпровідників.

Щойно було створено перші зразки кристалічних підсилювачів, зрозуміли, що розміри радіоапаратів може бути різко зменшено. Але тут же постало питання: а антена? Невже вона залишиться такою ж довгою, як і раніше? Чи, скажімо, індукційні котушки, конденсатори? Адже якщо їх не зменшити, вийде диспропорція (126) – і не лише у розмірах деталей, а й у їхньому технічному рівні. Справді, ставити громіздку дротяну котушку поруч із крихітним, ідеальним за простотою та досконалістю напівпровідниковим підсилювачем – це, мабуть, однаково, що освітлювати свічками поїзда метрополітену. Так назріло завдання: перетворити буквально всі радіодеталі, переозброїти всю практичну радіотехніку.

І знову тут прийшли на допомогу напівпровідники, насамперед – матеріали, звані феритами.

Кожен бачив підкову магніту. Ви знайдете її в гучномовці, у будь-якому електрогенераторі, у магнето автомобіля. Постійні магніти мають серйозну ваду - вони важкі. Щоб полегшити їх, металознавці розробили спеціальні сплави. Деякі їх дуже цінні. Але метал все ж таки дуже легким не зробиш.

Зазначимо й іншу особливість металевих магнітних матеріалів: вони добре проводять електричний струм. Ця властивість у ряді випадків застосовується з користю - наприклад, при високочастотному загартуванні. Змінне поле розганяє у металі електрони. Там виникають вихори електричних струмів, що швидко підвищують температуру. Тут це й потрібне. Зате в інших випадках нагрівання шкідливе.

Візьмемо, наприклад, сердечник трансформатора. Його зовсім не треба гріти. Адже це витрачає зайва енергія. До того ж вихрові струми не дають магнітному металу швидко розмагнічуватись та намагнічуватись, гальмують такі процеси. А в сучасних радіоапаратах часто потрібні дуже «поворотливі» магнітні речовини.

Багато праці поклали електрики та радіотехніки, щоб позбутися вихрових струмів. Серця трансформаторів, дроселів, котушок вирішили набирати з тонких залізних пластинок, покритих ізоляційним лаком. Робили такі осердя з ізоляційної маси з вкрапленими в неї залізною тирсою. Користь це деяку (127) приносило, але хотілося більшого. Ідеально було б знайти легкі магнітні речовини, що майже зовсім не проводять електричний струм.

Саме такими виявилися ферити.

Вигляд у феритів дуже буденний. Сіро-чорні непоказні платівки, кільця, стриженьки. Зроблені вони з звичайнісіньких, поширених у природі речовин - з оксидів заліза та інших металів. Звичайна руда магнетит теж належить до них.

Ще в минулому столітті хіміки знали склад подібних сполук, їхню внутрішню структуру, основні властивості. Здавалося, наука давно взяла від них усе, що можуть дати людині.

Але насправді сталося інакше. Декілька років тому за дослідження феритів взялися фізики. Вони почали їх розмелювати на порошок, змішувати в різних пропорціях, пресувати, обпалювати, спікати. І з'ясувалося, що, якщо такі матеріали спеціальним чином обробити, вони набувають різноманітних і дуже цінних поєднань електричних властивостей з магнітними.

Є серед феритів матеріали, які блискавично намагнічуються навіть у слабкому магнітному полі та також швидко змінюють намагніченість у такт зі змінами магнітного поля. Обмотаний дротом стрижень з такого матеріалу може бути відмінною антеною.

Такі стриженьки можна побачити зараз у багатьох нових радіоприймачах та телевізорах. Антени настільки невеликі, що їх монтують у корпусі. Наприклад, приймач "Дорожній" оснащений антеною довжиною в олівець. Вона замінює багато метрів металевого дроту. Магнітна феритова антена може бути навіть завбільшки з сірник! (128)

Феритові сердечники для котушок, трансформаторів, дроселів – чудовий подарунок радіотехніці. Маючи такий сердечник, вже не потрібно хитрувати у боротьбі з вихровими струмами, дбати про швидкість перемагнічування. Важко повірити, що крихітна спіралька з електропровідної речовини, нанесена пензликом на феритову пластинку (інакше кажучи, намальована), гратиме в приймачі ту ж роль, яку грає громіздка індукційна котушка з дроту.

Звісно, ​​спіральку можна не лише намалювати, а й надрукувати. Неважко надрукувати і з'єднувальні провідники та такі деталі, як опори (їх, до речі, тепер вдається робити розміром у точку, яку залишає на папері гострий олівець). Зрештою, навіть конденсатори вдається друкувати, тільки не на фериті, а на пластинах з інших речовин - сегнетоелектриків, наприклад з так званих титанату барію.

Титанати барію та інші подібні речовини – це також чудові матеріали сучасної радіотехніки. Декілька років тому їх цінні властивості розкрив радянський фізик член-кореспондент Академії наук СРСР Б. М. Бул. Застосовуючи їх, вдається робити крихітні (129) конденсатори – вариконди – з надзвичайними властивостями, створювати мініатюрні антени та інші пристрої, які значно спрощують радіоапаратуру.

Використання кристалічних діодів і тріодів, феритових деталей, варикондів показує, що навіть складні радіосистеми - цілі радіопередавачі або радіоприймачі - можна довести до нікчемних розмірів. Відкривається можливість створювати їх цілком своєрідним друкарським способом, подібно до того, як випускаються листівки або поштові марки.

Будь-який радіоапарат треба живити енергією. На роботу домашнього приймача йдуть десятки ватів. Їх беруть із освітлювальної мережі, від батарей, останнім часом від знайомих вже нам термоелектрогенераторів.

А якщо радіоприймачі отримають розмір поштової марки і просто пришиватимуться до лацкана піджака? Невже їх теж доведеться включати до мережі чи приєднувати до великовагових громіздких батарей?

Такі джерела живлення для мініатюрного напівпровідникового радіоапарата не потрібні. Енергії йому потрібно в десятки, сотні, навіть у багато тисяч разів менше, ніж звичайними сучасним радіопристроям. Тому йому вистачить маленької батарейки, які, до речі, тепер навчилися робити ємними та довговічними.

Ось одна з них - вона вдвічі менша за сірник. Вага її – 5 грамів, термін служби – більше року. Є батарейки дворічного терміну служби завбільшки з гудзик. Існують також крихітні акумулятори.

Мабуть, ще цікавіша так звана атомна батарея. Термін її безперервної дії – понад двадцять років. (130)

Пристрої атомна батарея нагадує напівпровідниковий вентильний фотоелемент, тільки джерелом енергії в ній служить не світло, а радіоактивне випромінювання. На кристал кремнію, в якому особливою обробкою створено електронну та дірочну області, нанесений шар радіоактивного стронцію - речовини, яку неважко отримати в атомному котлі. Зазнаючи розпаду, атоми стронцію випромінюють так звані бета-промені, тобто потік електронів.

Кожен із них, потрапляючи до напівпровідника, звільняє у ньому близько двохсот тисяч електронів провідності.

Таку батарею можна вмонтувати в радіоприймач прямо при його виготовленні, і вона служитиме, поки приймач не застаріє (можна ручатися, що за двадцять років це напевно).

Втім, напівпровідникові радіоапарати іноді обходяться без батарей. Енергію їм можуть давати, наприклад, вентильні фотоелементи – пастки світла. Нещодавно кишеньковий «сонячний» радіоприймач із чотирма кристалічними підсилювачами побудований інженерами однієї з американських фірм. Варто якийсь час потримати його на світлі, і він потім може п'ятсот годин працювати у повній темряві. Вага цього приймача – 280 грамів.

Нарешті, радіоаматори вигадали й інший дивовижний спосіб безбатарейного живлення радіоапарата. Крихітна напівпровідникова радіостанція дає електроенергію... голос людини - той самий звук, який передається по радіо.

Ви кажете в мікрофон. Там звуки голосу перетворюються на імпульси електричного струму. Деяка частка енергії отриманого пульсуючого струму надходить у радіопередавач для посилення та перетворення на радіохвилі. А інша частка мікрофонного струму згладжується в спеціальному пристрої і йде на живлення цього ж (131) передавача, а заодно і приймача, що сприймає радіосигнали у відповідь. Звук за допомогою напівпровідникових кристаликів наче сам себе переробляє на радіохвилі. Уся ця система надзвичайно компактна: радіостанція вміщується у корпусі мікрофона.

Запитаємо радіоінженера - ентузіаста напівпровідників:

Яких найменших розмірів можуть досягти радіоапарати на кристалах?

Інженер знизає плечима:

У наші дні фахівці не здивуються, прочитавши повідомлення про радіоприймач завбільшки з пшеничне зернятко!

Захоплюючись цим дивом, цим разючим досягненням науки, ми водночас мимоволі замислимося про можливості його практичної служби. І якщо вже йдеться про приймач із пшеничне зерно, виникає питання: навіщо все-таки такий мікроскопічний радіоапарат? Він годиться хіба для радіофікації мурашників, схожий на дрібничку, на зразок сталевої блохи, яку описав Лєсков у оповіданні «Лівша». Пам'ятайте, крихітна «сориночка», яку треба було завести ключиком, і тоді вона бралася танцювати. Якщо радіоапарат-малютка підходить лісківській блосі, то яка від нього користь? Рівно ніякої.

Звичайно, зовсім не до граничного зменшення радіопристроїв прагне радіотехніка на напівпровідниках. Завдання не в тому, щоб ставити рекорди мініатюрності, а в тому, щоб у зручні обсяги вміщувати найдосконаліше обладнання.

Як воно?

Не такою вже рідкістю став складний радіоприймач (132) завбільшки з портсигар. Ви кладете його в кишеню і слухаєте радіо на шляху на роботу в тролейбусі.

Прийомно-передавальну радіоустановку на кристалах вдається вмістити в сірниковій коробці. Це чудова підмога, наприклад, у спорті. Парашутист, що вперше кинувся з літака в повітряну прірву, розмовляє зі своїм досвідченим товаришем, який перебуває на землі, вислуховує його спокійні поради. Тренер дає по радіо вказівки лижнику-слаломісту, плавцю, бігуну.

А як корисні такі мініатюрні радіостанції у будівельній справі! Бригадир мулярів зможе постійно підтримувати зв'язок із машиністом підйомного крана. Не треба буде надривати голос криком, відійдуть у минуле вигуки «майна», «віра», відпаде потреба у рупорах.

Далі – нові можливості. Уявіть телефонний апарат майбутнього. Це або маленька платівка в кишені піджака, або, скажімо, спеціально обладнана авторучка: з одного боку мікрофон, з іншого - навушник на кшталт жолудя.

Для телефону стануть зайвими дроти. Ультракороткі радіохвилі зв'яжуть наші квартири, заводи та установи з автомобілями та літаками, із залізничними поїздами та пішоходами. Людина зможе вести телефонні переговори будь-де, будь-коли, з будь-яким пунктом. Ця проблема в наш час серйозно обговорюється на сторінках спеціальних журналів. Є вже й узвичаєний термін для такого зв'язку - «загальна».

Як ви вважаєте, чи можна радіопередавачем грати у футбол?

Питання людини, яка вижила з розуму, - скажете ви.

Виявляється, відповідь ця надто поспішна.

Напівпровідникові радіоапарати роблять тепер настільки міцними та надійними, що їх можна приробити до покришки м'яча, не ризикуючи, що від ударів футболістів апарати вийдуть з ладу. А яка користь від цього? Навіщо потрібна радіостанція у м'ячі?

В Америці поширена спортивна гра в гольф. По маленькому твердому м'ячу б'ють ціпком - він підскакує, котиться, потрапляє в лунки, але іноді губиться в траві, в кущах. Гравцям часом доводиться довго шукати його. І ось щоб прискорити пошуки, щоб м'ячі не пропадали, у них запропонували ставити радіопередавачі на напівпровідниках. Хоч як туго не доводиться м'ячу, радіопередавач у ньому діє не перестаючи. Він випромінює радіосигнал, який можна вловити приймачем із спрямованою антеною, вставленими в ціпок гравця. Якщо (134) м'яч загубився, гравець прикладає до вуха радіопалку і легко знаходить напрям, звідки чується «голос» зниклого м'яча. Тепер знайти його дуже легко.

Щоправда, це застосування напівпровідникових підсилювачів носить скоріше рекламний, ніж практичний характер. З тією ж метою радіопередавачі на кристалах монтують у звичайному слюсарному молотку. Можна як завгодно стукати молотком, апарат не перестане працювати.

Подібних радіотехнічних курйозів, іграшок на напівпровідниках роблять зараз чимало. Вони дають особливо наочне уявлення про найбільшу практичну цінність кристалічних діодів та тріодів. Апаратура, яку ми звикли вважати ніжною та тендітною, набуває міцності каменю. Її можна встановлювати у висотній ракеті, навіть у артилерійському снаряді – для вивчення його польоту. У неспокійній обстановці вона служитиме безвідмовно.

Яким непорушно міцним стає з приходом напівпровідників радіообладнання літаків, гелікоптерів, кораблів. Не страшні вже найрізкіші удари, найсильніша тряска!

Ми навели лише кілька прикладів чудової служби напівпровідникової радіотехніки. Можливо, вони й не показові.

Але зараз ще дуже важко передбачити все багате різноманіття можливостей застосування напівпровідників у цій галузі. Чи не кожен день приносить вести про нові знахідки, нові рішення.

На малюнку справа - можливий вигляд телевізора, зібраного на напівпровідниках. Замість електронно-променевої трубки в ньому буде застосований своєрідний плоский екран, що світиться, з металевою сіткою.

Будують звукозаписні апарати завбільшки з чорнильницю. Створюється телевізор без вакуумної трубки з плоским екраном. Його можна буде повісити на стіну, як картину, або покласти на стіл, наче перекидний календар. Колись з'являться і кишенькові телевізори - відеотелефони на зразок записної книжки.

Рояль винайдено близько двохсот п'ятдесяти років тому. Скрипка, віолончель, різноманітні мідні та дерев'яні труби створені ще раніше.

За століття всі вони досягли найвищої досконалості. Можна з упевненістю сказати: гарніше звуку, ніж у сучасних музичних інструментах, зі струн, язичків і вібруючих повітряних стовпів не витягнеш. Але чи означає це, що неможливо створити гарніші звучання? Звичайно, ні. Останні десятиліття з'явилися ентузіасти нової музики - електричної. Вони побудували чимало інструментів, що мають чудові, невідомі раніше голоси, Електричні коливання там (136) народжуються, перетворюються, посилюються в радіолампах. Тому всім електромузичних інструментів властивий недолік лампових радіоприймачів: вони недовговічні, важкі, громіздкі. Наприклад, одноголосий інструмент еміритон важить близько 90 кілограмів. Занадто багато!

Наразі ентузіасти електричної музики гаряче взялися за освоєння напівпровідників. Перші електрооргани з кристалічними генераторами та підсилювачами вже побудовані. Пройде кілька років - і в наших будинках, у парках, на вулицях задзвенять чудові електричні труби, дзвони, струни. Композитори створюватимуть не лише партитури, а й нові тембри. З'являться легкі та надійні електромузичні інструменти, доступні кожному, що не потребують освоєння багатьох років навчання.

Збагачена наукою, музична культура стане ще ближчою до народу.

Вершина сучасної електроніки – це, безперечно, обчислювальні пристрої. Вони виробляють найскладніші математичні розрахунки, керують машинами, перекладають тексти з однієї мови іншою, вирішують шахові завдання. Людина дає машині «доручення», а вона потім сама за кілька годин або навіть хвилин виконує титанічний обчислювальну працю - працю, яку пішли б довгі роки роботи багатьох сотень людей.

Електронні обчислювальні машини надзвичайно складні та громіздкі. Вони займають величезні зали, іноді цілі будинки. І кожна налічує тисячі радіоламп. Неважко зрозуміти, який чудовий ефект дає тут застосування напівпровідників. Рахункові машини на кристалах вимагають у кілька разів менше місця, значно легше, незрівнянно економніше у споживанні (137) енергії, а головне – надійніше. Триміліметрове феритове колечко, перетнуте декількома тонкими дротиками, може замінити в лічильній машині відразу пару радіоламп і кілька інших деталей. Феріти інших типів відіграють роль своєрідних осередків пам'яті електронного рахункового пристрою.

У майбутньому, безперечно, з'являться настільні, а можливо, і кишенькові обчислювальні машини на напівпровідниках. То будуть кошти справді всебічної механізації вже не тільки фізичної, а й розумової праці людини.

Один із вузлів електронно-лічильної машини на вакуумних лампах. Зліва - такий же вузол на феритових деталях.

Електронна обчислювальна техніка прийде на допомогу метеорологам і ми отримаємо астрономічно точні прогнози погоди. Бухгалтери, бібліотекарі, диспетчери доручать машинам складання різних каталогів, інформаційних зведень, розкладів, статистичних звітів.

Сполучені зі світлофорами обчислювальні машини регулюватимуть вуличний рух.

Зроблено перші досліди автоматичного управління із землі рухом літаків. За командами електронної обчислювальної машини літак самостійно стартує, піднімається у повітря, виконує маневри, приземляється у потрібному (138) місці. Як далеко залишила позаду ця чудова автоматика «зрячий» автомобіль науково-фантастичного оповідання!

У промисловості електронні пристрої керуватимуть цехами та цілими заводами. Людина змусить їх видавати сировину, контролювати та змінювати технологію, сортувати, підраховувати продукцію. І всюди тут нестимуть безвідмовну службу напівпровідники.

Наш час називають початком атомного віку. Виправдане ім'я, лише неповне. Переробка планети на благо людства пов'язана з великою кількістю перемог науки. Тут і досягнення ядерної фізики, і бурхливий розвиток електроніки, прогрес фізики напівпровідників, і вражаючі успіхи хімії. Тут могутня і розумна техніка енергетики, металургії, машинобудування, будівництва, сільського господарства.

Вчення про напівпровідників йде вперед у єдиному строю з усіма найважливішими галузями точного знання та промисловості, спираючись з їхньої багаторічний досвід.

У свою чергу, фізика напівпровідників збагачує суміжні галузі науки та техніки.

З'ясувалося, наприклад, що напівпровідникові матеріали є чудовими каталізаторами – прискорювачами хімічних процесів. Член-кореспондент Академії наук СРСР С. З. Рогінський на одній науковій конференції зауважив, що хіміки донедавна були на становищі «міщанина у дворянстві». Герой Мольєра не підозрював, що все життя говорить прозою, а хіміки не знали, що у багатьох хімічних процесах вони мають справу з напівпровідниками, з електронними процесами у напівпровідниках.

Приладобудування має освоїти ще одну особливість (139) напівпровідників - зміщення в них електричного струму під дією зовнішнього магнітного поля. На цій основі можна створити небувало чутливі та точні компаси, побудувати апарати, які здатні вловити переміщення предметів на десятимільйонну частку міліметра!

Фізиці напівпровідників довелося зустрітися з такою несподіваною для цієї науки областю знання, як фізіологія. Виявляється, і тут електронні явища відіграють чималу роль. Угорський фізіолог Еге. Ернст нещодавно помітив, що ряд характерних рис нервових процесів знаходить просте пояснення, якщо припустити, деякі структурні освіти нервів є своєрідними напівпровідниковими випрямлячами. Хто знає, можливо, хірурги, застосовуючи якісь невідомі поки що напівпровідники, навчаться робити штучні нерви!

Ще мало вивчено механічні властивості напівпровідникових речовин. Тим часом поле подібних досліджень широко та вдячно. Деякі напівпровідники виключно міцні та жаростійкі – витримують нагрівання до температури понад 4000 градусів! Можливо, з таких матеріалів колись будуватимуться камери згоряння двигунів міжпланетних кораблів, обладнання атомних двигунів.

Сьогоднішній день вчення про напівпровідники підняв перед нами лише куточок завіси часу, що приховує завтра. Але й через цю щілинку ми розглянули чимало. У місті завтрашнього дня ми зустріли будівлі, які опалювали мороз, у пустелях - дивовижні пастки променистої енергії. Ми передбачили народження сонячної енергетики. Ми побачили загальне поширення нової радіотехніки, переможна хода мініатюрних машин із зором і пам'яттю, вловили звуки нечуваних музичних інструментів.

Це крихти нашого майбутнього. Але здобути їх нелегко. (140) Має бути подолати тисячі великих і малих перешкод, ще далі розвинути теорію напівпровідників - не тільки кристалічних, а й склоподібних і рідких, знайти найкращі способи їх очищення, обробки.

Герой Соціалістичної Праці академік А. Ф. Іоффе - найстаріший радянський вчений, який віддав понад чверть століття роботі в галузі фізики напівпровідників, каже: «Ми вступаємо в нову еру технічного прогресу. Ми маємо достатньо сил і можливостей, і моральних і матеріальних, щоб вирішувати завдання будь-якого масштабу в найближчі роки, у найближчі десятиліття».

Вчені та інженери Радянської країни впевнено дивляться наперед. Люди сміливої ​​мрії, ясного розуму, невтомні ентузіасти науки, вони сьогодні готують те, що завтра стане надбанням народу, що увійде до майбутніх численних віків комунізму.

Напівпровідниковий кристал є системою, що складається з атомних ядер і електронів, більшою або меншою мірою пов'язаних з ядрами.

Напівпровідниковий кристал або комплект кристалів, на яких реалізується центральний процесор ЕОМ (С. Обов'язковими компонентами мікропроцесора є арифметико-логічний пристрій (А. Вони характеризуються швидкістю, довжиною слова (внутрішньою та зовнішньою), архітектурою (А. Ефективність мікропроцесора визначається поєднанням цих характеристик) не тільки часом циклу Більшість мікропроцесорів мають фіксовану систему команд Мікропрограмовані процесори оснащуються керуючим запам'ятовуючим пристроєм, в якому зберігається мікропрограма або вбудовані програми, що визначають набір команд, що реалізуються Такі процесори можуть бути однокристальними або розрядно-модульними (В.

Напівпровідникові кристали відрізняються від діелектричних великими значеннями показника заломлення (до - 9), що вимагає в багатьох випадках нанесення покриттів, що просвітлюють. Оптичні властивості напівпровідників дуже залежить від температури. Напівпровідникові кристали є перспективними оптичними матеріалами з огляду на можливість синтезу більшої кількості напівпровідникових сполук з різними оптичними характеристиками.

Напівпровідникові кристали, що використовуються в цих діодах, не зазнали будь-яких істотних конструктивних змін, проте відсутність герметичного корпусу вимагає особливо ретельного захисту від впливу навколишнього середовища. Для цього використовують окисні або інші діелектричні плівки, які отримують в процесі виготовлення активного напівпровідникового елемента в поєднанні з подальшим нанесенням лаків або смол, службовців також і для захисту кристалів від випадкових механічних впливів, а також герметизацію всієї схеми. Треба відзначити також складність монтажу діодів з круглим керамічним тримачем у схему, так як важко домогтися повного поєднання смужки на тримачі з смужкою на підкладці, в результаті чого в передавальному тракті виникають сходинки, що збільшують втрати у схемі. У зв'язку з тим, що теплопровідність матеріалів, що застосовуються для виготовлення підкладок мікросхем, значно нижча (за винятком берилієвої кераміки), ніж у металів, потужність розсіювання у приладів з керамічним тепловідведенням менша, ніж у діодів у корпусах з металевими кристалотримачами.

Напівпровідниковий кристал є системою, що складається з великої кількості атомних ядер і електронів.

Напівпровідникові кристали вирощують у горизонтальних човниках за тим чи іншим варіантом методу Бріджмена – Стокбаргера.

Напівпровідниковий кристал із прямокутним поперечним перерізом 1X2 мм2 і довжиною 2 см містить 10 см-3 акцепторів. Потім цей кристал легується донорами з концентрацією 5 - 16 см-3.

Напівпровідниковий кристал здатний замінити не одну лампу, а цілий ламповий блок з безліччю різних деталей, стати основою для апаратури нового типу, де функції електронних приладів виконують невеликі групи різних молекул.

Напівпровідниковий кристал найчастіше виготовляється із кремнію. Завдяки складній технологічній обробці кристала у ньому створюються електронні молекули, з'єднані в електричну схему. Це дозволяє одному кристалі (розміром приблизно 5x5 мм) створювати сотні тисяч взаємозалежних електронних молекул, виконують складні перетворення інформації. Прагнення дослідників створити ще компактніші інтегральні схеми призводить до пошуків рішень, у яких елементами цих схем будуть молекули речовини у звичайному розумінні.

Прямозонні напівпровідникові кристали мають дуже високе однофотонне поглинання при зона-зонному переході. Тому необхідно дуже точно підлаштовувати частоту випромінювання, щоб втрати, що вносяться міжзонним поглинанням, не занапастили процес чотирихвильового поглинання. В даний час у прямозонних напівпровідниках найчастіше використовуються процеси багатофотонного, зокрема двофотоїного, поглинання, наприклад, кристалах CdS і CdSe. При цьому коефіцієнт поглинання визначається потужністю падаючого випромінювання та може регулюватися за рахунок її зміни. Виникаюча плазма вільних носіїв, як і раніше, призводить до зміни показника заломлення.

П'єзоелектричні напівпровідникові кристали типу А2В6 і А3В5 (ZnS, CdS, ZnO, GaAs та ін) представляють особливий інтерес через вдале поєднання п'єзоелектричних та напівпровідникових властивостей.

Використовувався напівпровідниковий кристал, на задню грань якого було нанесено покриття, що відбиває 3i, а передня грань була просвітлена. Випромінювання лазера об'єктивом / прямувало в кристал BaTiOa (пляма з d 1 мм), після проходження якого воно за допомогою дзеркал Зг і Зз формувало петлю накачування і знову потрапляло в кристал.

Розглянемо напівпровідниковий кристал із шириногс забороненої зони ДЕ і з'ясуємо, яка природа першого збудженого стану в ньому. IB валентної зони зайняті електронами, а зона провідності зовсім порожня.

Деякі ізолюючі та напівпровідникові кристали мають здатність змінювати свою провідність під дією ядерних випромінювань. Цю властивість використовують практично у про кристалічних детекторах. Розрізняють два типи кристалічних детекторів: діелектричні кристалічні лічильники та напівпровідникові кристалічні лічильники.